本發(fā)明涉及用于HID燈及其它高壓氣體放電燈的鎮(zhèn)流器，具體地指一種功率因數(shù)高、功率密度高、整機(jī)效率高的高頻電感電子鎮(zhèn)流器及其工作方法。

背景技術(shù)：

HID燈由于顯色性好、亮度高、節(jié)能效果好、透光性好等優(yōu)點在照明領(lǐng)域得到廣泛推廣應(yīng)用，但是為確保HID燈可靠工作，需要專用電子鎮(zhèn)流器。但是，直到目前為止，市場上技術(shù)成熟的電子鎮(zhèn)流器主要是兩級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)電路形式。兩級結(jié)構(gòu)先把輸入的交流電變成直流電，再把直流電變換成交流電輸出，其中，前級電路是功率因數(shù)校正電路，把輸入的交流電變成直流電，主要功能是實現(xiàn)輸入電源側(cè)高功率因數(shù)，而后級電路是逆變電路，把直流電逆變成低頻或高頻交流電，輸出滿足HID燈照明所需要的交流電源。三級結(jié)構(gòu)電路形式是在上述兩級結(jié)構(gòu)的前后級電路之間再加一級直流電壓變換電路，實現(xiàn)輸入和輸出電壓之間的匹配。由于多級電路結(jié)構(gòu)形式，造成電子鎮(zhèn)流器的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、效率較低，特別是效率達(dá)到92％就很困難了。目前典型的電子鎮(zhèn)流器主要有三級電路結(jié)構(gòu)的輸出低頻方波的電子鎮(zhèn)流器，以及兩級電路結(jié)構(gòu)的基于LCC串聯(lián)諧振的高頻電子鎮(zhèn)流器。

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的發(fā)明人已申請《基于雙向BUCK功率因數(shù)校正和LCC高頻諧振軟開關(guān)技術(shù)的單相單級HID高頻電子鎮(zhèn)流器》和《基于雙向BUCK功率因數(shù)校正和LC高頻諧振軟開關(guān)技術(shù)的單相單級HID高頻電子鎮(zhèn)流器》兩項發(fā)明專利和兩項實用新型專利(專利申請?zhí)柗謩e為：201610018774.6，201620025283.X，201610018736.0,201620026633.4)，在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過進(jìn)一步研究和改進(jìn)、總結(jié)，提出了基于串聯(lián)諧振和直接交交變頻的單相單級高頻電子鎮(zhèn)流器的四種電路結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方法，并擬申請相關(guān)專利《新型交交變頻的單級高頻電子鎮(zhèn)流器及其實現(xiàn)方法》。

基于串聯(lián)諧振的高頻電子鎮(zhèn)流器雖然有很多優(yōu)點，但也存在諧振電壓較高、電流較大的問題，增加了諧振回路的電壓和電流應(yīng)力，為此在上述研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究并提出基于高頻電感和直接交交變頻的新型單級高頻電感電子鎮(zhèn)流器，并擬申請相關(guān)專利《新型交交變頻的單級高頻電感電子鎮(zhèn)流器及其實現(xiàn)方法》。

基于交交變頻的單級高頻電感電子鎮(zhèn)流器可以用于1000W等系列金鹵燈照明用，具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、體積小、功率密度高、功率因數(shù)高等優(yōu)點，但為了實現(xiàn)輸入電源側(cè)高功率因數(shù)，其高頻輸出電壓的低頻包絡(luò)的最低點很低，甚至接近于零。該鎮(zhèn)流器給高壓鈉燈供電時，當(dāng)其高頻輸出電壓的低頻包絡(luò)的最低點接近或低于高壓鈉燈的燈電壓時，燈電流斷流，高壓鈉燈會熄滅。為了給高壓鈉燈照明提供一個功率因數(shù)高的高效率的新型高頻電子鎮(zhèn)流器，在上述研究的基礎(chǔ)上，基于APFC和半橋逆變技術(shù)，進(jìn)一步研究并提出一種高功率因數(shù)、高功率密度、高效率的高頻電感電子鎮(zhèn)流器，其整機(jī)效率高達(dá)94％以上，甚至高達(dá)96％。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種新型的高功率因數(shù)、高功率密度、高效率的高頻電感電子鎮(zhèn)流器及其實現(xiàn)方法，該電子鎮(zhèn)流器基于APFC和半橋逆變技術(shù)，其整機(jī)效率高達(dá)94％以上，甚至高達(dá)96％。該高頻電感電子鎮(zhèn)流器避免了現(xiàn)有電感鎮(zhèn)流器中大電感的笨重問題，也避免了基于LCC串聯(lián)諧振電路的高頻電子鎮(zhèn)流器中存在的諧振回路中電容和電感的電流、電壓應(yīng)力大的問題。

實現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是一種新型高效率的高頻電感電子鎮(zhèn)流器，該鎮(zhèn)流器包括功率電路和控制電路，其中，

所述功率電路采用兩級電路拓?fù)洌凹壥枪β室驍?shù)校正電路(PFC)，后級是半橋推挽高頻逆變電路。其中，

前級功率因數(shù)校正電路，包括：

單相整流橋，用于將單相交流電變成脈動直流；

BOOST電感，用于儲能；

BOOST開關(guān)MOS管，用于對BOOST電感充放電的控制；

泵升二極管，為BOOST電感放電提供通路；以及

儲能電容，用于儲能，為后級電路提供電能。

后級半橋推挽高頻逆變電路，包括：

半橋開關(guān)電路，用于適時控制電能的變換與傳輸；

串聯(lián)電容，用于隔離直流和儲能；

高頻脈沖變壓器，用于電壓變換和能量傳輸，實現(xiàn)輸入輸出電壓的匹配；以及

高頻電感，用于對負(fù)載電流進(jìn)行限制；

所述控制電路包括

PFC控制電路，對輸入電壓、輸入電流、輸出電壓進(jìn)行檢測，處理，發(fā)出PFC控制信號去控制BOOST開關(guān)MOS管的開通和關(guān)斷；以及

單片機(jī)或模擬控制電路，用于根據(jù)給定參考信號和反饋信號，進(jìn)行信號處理，輸出控制信號；

輸出電壓和電流取樣與調(diào)理電路，用于對燈電壓和燈電流進(jìn)行取樣、濾波、分壓或放大，為單片機(jī)或模擬控制電路提供反饋信號；以及

驅(qū)動電路，用于對來自單片機(jī)或模擬控制電路的控制信號進(jìn)行隔離、放大，去驅(qū)動半橋開關(guān)電路的開通和關(guān)斷。

本發(fā)明還公開了上述高頻電感電子鎮(zhèn)流器的高功率因數(shù)和高效率的實現(xiàn)方法，該方法包括

選用合適的開關(guān)頻率，選用開關(guān)速度合適的BOOST開關(guān)MOS管和泵升二極管，消除BOOST開關(guān)MOS管的關(guān)斷電壓尖峰，極大減小PFC電路引起的開關(guān)損耗和電磁干擾；

選用合適的高頻電感，既可以實現(xiàn)對燈電流的限制，又可以使半橋開關(guān)電路的功率開關(guān)MOS管實現(xiàn)軟開關(guān)，極大降低開關(guān)損耗；

選用合適型號的優(yōu)質(zhì)磁性材料制作合適匝比、線徑的脈沖變壓器，實現(xiàn)輸入輸出電壓的匹配，減小高頻電感的壓降，降低高頻電感的功率容量，從而減小電感體積和重量；

采用半橋推挽逆變電路實現(xiàn)高頻逆變，可以進(jìn)一步減小器件數(shù)量和成本。

此外，本發(fā)明新型高效率的高頻電感電子鎮(zhèn)流器的工作流程，包括：

上電

鎮(zhèn)流器上電，輔助電源先工作，輸出穩(wěn)定的直流電壓，供其他控制電路使用；同時輸入電源經(jīng)整流橋、BOOST電感和泵升二極管給儲能電容緩啟動充電；

PFC電路工作，輸出穩(wěn)定的直流電壓，為后級高頻逆變提供電源；

點燈

稍停幾秒鐘之后，單片機(jī)或模擬控制電路開始工作，控制半橋開關(guān)電路的MOS管開通和關(guān)斷；點燈方式可以采用諧振點燈和外接點火器點燈；

啟動

燈啟動工作期間，采取恒流調(diào)頻控制，燈電流穩(wěn)定，燈電壓逐步升高，燈功率隨之增大；

照明

直到燈功率達(dá)到額定值，燈電壓等于額定電壓，進(jìn)入恒功率調(diào)頻工作。

本發(fā)明鎮(zhèn)流器具有以下優(yōu)點：

1、鎮(zhèn)流器結(jié)構(gòu)簡單，器件少，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，模塊化設(shè)計，生產(chǎn)使用簡單，控制方便；

2、采用兩級功率電路拓?fù)?，且功率開關(guān)MOS管均實現(xiàn)了軟開關(guān)，沒有關(guān)斷電壓尖峰，不需要緩沖吸收電路，極大減小開關(guān)損耗和電磁干擾，整機(jī)效率高；

3、電源輸入側(cè)功率因數(shù)高，滿足各種有關(guān)電子鎮(zhèn)流器的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)要求；

4、鎮(zhèn)流器功率密度高達(dá)0.67MW/M³或670W/dm³；

5、鎮(zhèn)流器效率高達(dá)94％以上,甚至高達(dá)96％；

6、技術(shù)可以移植，修改功率器件參數(shù)，可以研發(fā)系列功率容量的鎮(zhèn)流器。

附圖說明

圖1為本發(fā)明高效率的高頻電感電子鎮(zhèn)流器的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為本發(fā)明高效率的高頻電感電子鎮(zhèn)流器中功率電路的電路圖。

圖3為本發(fā)明高效率的高頻電感電子鎮(zhèn)流器的工作流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明新型高效率的高頻電感電子鎮(zhèn)流器包括功率電路和控制電路，其中功率電路采用兩級電路拓?fù)?，前級電路是功率因?shù)校正電路(PFC)1，后級電路是高頻逆變電路2，前級PFC電路1包括單相整流橋3、輸入電容4、BOOST電感5、BOOST開關(guān)MOS管6、泵升二極管7、儲能電容8，后級高頻逆變電路2包括半橋開關(guān)電路9、串聯(lián)電容10、高頻脈沖變壓器11、高頻電感12，另外還有點火電容13或外置點火器14；控制電路包括輔助電源15、PFC控制電路16、驅(qū)動電路17、給定或顯示電路18、單片機(jī)或模擬控制電路19、輸出電壓和電流取樣與調(diào)理電路20。

功率電路的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，下面對功率電路中各部分分別進(jìn)行說明：

PFC電路1：完成功率因數(shù)校正功能，把輸入交流電變換成直流電。為了減小功率開關(guān)管開關(guān)損耗，降低電磁干擾，通過選用合適的泵升二極管、功率開關(guān)管及其門極驅(qū)動電阻，使得BOOST開關(guān)MOS管5的關(guān)斷速度低于泵升二極管6的開通速度，消除功率開關(guān)管的極間電壓尖峰。其中

單相整流橋3：用于把單相交流電變成脈動直流；

BOOST電感4：用于儲能；

BOOST開關(guān)MOS管5：給BOOST電感充電提供通路；

泵升二極管6：給BOOST電感放電提供通路，選用快恢復(fù)二極管；

儲能電容7：用于儲能，采用高頻性能較好的電解電容，為后級高頻逆變電路提供電能，為提高儲能電容7的高頻特性，與之并聯(lián)一個1UF的CBB81的高壓薄膜電容。

高頻逆變電路2：把前級PFC電路輸出的直流電逆變成高頻交流電。為減少器件、減小體積、降低成本，采用半橋推挽式高頻逆變電路。為減小電感的損耗，采用高頻小電感，用高頻脈沖變壓器實現(xiàn)輸入輸出電壓的匹配。為減小開關(guān)損耗和電磁干擾，電路阻抗呈弱感性，使得半橋開關(guān)電路的功率開關(guān)管實現(xiàn)軟開關(guān)。其中

半橋開關(guān)電路9：適時控制電能的變換與傳輸。包括功率開關(guān)管Q1和Q2。作為開關(guān)電路，也可以采用全橋開關(guān)電路，但增加了開關(guān)管及其驅(qū)動電路；

串聯(lián)電容10：用于隔直和儲能，與半橋開關(guān)電路9、高頻脈沖變壓器11一起組成半橋推挽高頻逆變電路；

高頻脈沖變壓器11：起到電壓變換和能量傳輸?shù)淖饔?，實現(xiàn)輸入輸出電壓的匹配，可以是隔離變壓器，為進(jìn)一步減小體積和重量，可以是非隔離的自耦變壓器；

高頻電感12：對負(fù)載燈電流進(jìn)行限制。除了諧振點燈外，高頻小電感的作用是限制燈電流，不與其他器件發(fā)生諧振，這是與其他基于LCC諧振電路的高頻電子鎮(zhèn)流器的根本區(qū)別。用一個高頻小電感配合其他電子器件和電路，完成電感鎮(zhèn)流器的功能，是一種高頻電感電子鎮(zhèn)流器，這是與其他低頻方波電子鎮(zhèn)流器和普通電感鎮(zhèn)流器的根本區(qū)別。

本發(fā)明鎮(zhèn)流器的點燈方式有兩種，一是諧振點燈，在功率電路的輸出端并聯(lián)一個小容量高壓電容13，利用高頻電感12與高壓電容13諧振產(chǎn)生高電壓脈沖點燈；二是外置點火器點燈，與負(fù)載燈并聯(lián)一個點火器14，點燈前，由于空載，電路壓降很小，燈電壓較高，點火器14會產(chǎn)生一個高電壓脈沖點燈；點燈后，燈電流較大，電路壓降較大，燈電壓降低，點火器14不能產(chǎn)生高電壓脈沖去點燈。

下面對控制電路中各部分分別進(jìn)行說明：

輔助電源15：為PFC控制電路16、驅(qū)動電路17、給定或顯示電路18、單片機(jī)或模擬控制電路19、輸出電壓和電流取樣與調(diào)理電路20供電；

PFC控制電路16：對輸入電壓、輸入電流、輸出電壓進(jìn)行檢測，處理，發(fā)出PFC控制信號去控制BOOST開關(guān)MOS管的開通和關(guān)斷，實現(xiàn)輸入電流跟隨輸入電壓變化，同時維持PFC輸出電壓基本不變。PFC電路沒有采取其他措施，僅選用合適的泵升二極管、功率開關(guān)管及其門極驅(qū)動電阻，使得BOOST開關(guān)MOS管5的關(guān)斷速度低于泵升二極管6的開通速度，消除了功率開關(guān)管的極間電壓尖峰，極大減小其他PFC電路引起的開關(guān)損耗和電磁干擾。

驅(qū)動電路17：對來自單片機(jī)或模擬控制電路19的控制信號進(jìn)行隔離、放大，去驅(qū)動半橋開關(guān)電路9中的功率MOS管的開通和關(guān)斷。

給定或顯示電路18：為單片機(jī)或模擬控制電路9提供輸出參考信號，并顯示單片機(jī)或模擬控制電路19輸出的工作狀態(tài)信號。

單片機(jī)或模擬控制電路19：根據(jù)給定參考信號和反饋信號，進(jìn)行信號處理，輸出控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路7隔離、放大后控制半橋開關(guān)電路9中的功率MOS管的開通和關(guān)斷。

輸出電壓和電流取樣與調(diào)理電路20：對燈電壓和燈電流進(jìn)行取樣、濾波、分壓或放大，為單片機(jī)或模擬控制電路19進(jìn)行輸出控制提供反饋信號。

本發(fā)明鎮(zhèn)流器的工作流程如圖3所示，包括上電、點燈、啟動、照明等四個階段，詳細(xì)說明如下：

(1)上電

鎮(zhèn)流器上電，給PFC儲能電容緩充電，同時輔助電源工作，稍微延時后輸出電壓穩(wěn)定，給控制電路各部分供電。隨后，PFC電路工作，輸出基本穩(wěn)定的直流電壓，同時，單片機(jī)上電，初始化。

(2)點燈

本發(fā)明鎮(zhèn)流器的點燈方式有兩種，一是諧振點燈，在功率電路的輸出端并聯(lián)一個小容量高壓電容13，電路工作開關(guān)頻率降頻掃頻或定頻，利用高頻電感12與高壓電容13(包括電路寄生電感和電容)諧振產(chǎn)生高電壓脈沖點燈；二是外置點火器點燈，與負(fù)載燈并聯(lián)接一個點火器14，點燈前，由于空載，電路壓降很小，燈電壓較高，點火器14會產(chǎn)生一個高電壓脈沖點燈；點燈后，燈電流較大，電路壓降較大，燈電壓降低，點火器14不能產(chǎn)生高電壓脈沖去點燈。

(3)啟動

燈開始工作，采取恒流調(diào)頻控制，燈電流穩(wěn)定，燈電壓逐步升高，燈功率隨之增大。

(4)照明

直到燈功率達(dá)到額定值，燈電壓等于額定電壓，進(jìn)入恒功率調(diào)頻控制的照明階段。

本發(fā)明鎮(zhèn)流器具有以下優(yōu)點：

1、鎮(zhèn)流器結(jié)構(gòu)簡單，器件少，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，功率密度高，模塊化設(shè)計，控制方便；

2、采用兩級功率電路拓?fù)?，且功率開關(guān)MOS管均實現(xiàn)了軟開關(guān)，沒有關(guān)斷電壓尖峰，不需要緩沖吸收電路，極大減小開關(guān)損耗和電磁干擾，整機(jī)效率高；

3、電源輸入側(cè)功率因數(shù)高，滿足各種有關(guān)電子鎮(zhèn)流器的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)要求；

4、鎮(zhèn)流器功率密度高達(dá)0.67MW/M³或670W/dm³；

5、鎮(zhèn)流器效率高達(dá)94％以上,甚至高達(dá)96％；

6、技術(shù)可以移植，修改功率器件參數(shù)，可以研發(fā)系列功率容量的鎮(zhèn)流器。