專利名稱：用于運行高壓放電燈的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于運行高壓放電燈的裝置。
用于運行放電燈的電子鎮(zhèn)流器是已知的，包括被連接在主電源與燈之間的開關模式供電電源。在三級鎮(zhèn)流器電路中，開關模式供電電源的第一級包括預調(diào)節(jié)器，例如雙整流器，用于整流主電源(230V，50Hz，二相)，并與上變換器相組合。第二級可包括下變換器(DC-DC變換器)，也被稱為前向或降壓(buck)變換器，用于穩(wěn)定輸出電流。鎮(zhèn)流器電路的第三級包括整流全波電橋(和點火極)，以實施燈的方波電流運行。在二級鎮(zhèn)流器拓撲中，下變換器和整流電橋用半波電橋整流前向(HBCF)或全波電橋整流前向(FBCF)拓撲代替。
半波電橋整流前向(HBCF)電路相應于全波電橋整流前向(FBCF)路，其中一部分電橋用串聯(lián)的兩個(電解)電橋電容器代替。在這個拓撲中的鎮(zhèn)流器包括上變換器，與半波電橋相組合，用作為雙下變換器。用于運行HID燈的這種二級鎮(zhèn)流器拓撲是相對較簡單和相對較便宜的。
在啟動階段期間以及在燈的壽命結束時，放電燈的特性可能是不規(guī)則的。例如，在一半整流周期期間燈可以是導通的，而在另一半整流周期期間燈是非導通的。在以上提到的半波電橋整流前向電路的電容器串聯(lián)電路中，這導致半波電橋的中點電壓的位移，它可以使得電橋電容器之一的最大電壓額定值被超過。這又可能使電容器損壞，和/或鎮(zhèn)流器故障。而且，HBCF的上變換器的輸出電壓或干線電壓在燈的啟動階段期間，即，在燈的點火期間可被提升，而在燈的正常運行期間可降低，以便提高鎮(zhèn)流器的運行效率。在啟動階段期間燈的不規(guī)則或非對稱特性因而可造成半波電橋的中點電壓的甚至更高的電平，因此，甚至更高的損壞電橋電容器的風險。
這個問題的解決方案是，在鎮(zhèn)流器的半波電橋中應用具有增大的最大電壓額定值的電容器的電容器串聯(lián)電路。然而，這將使得鎮(zhèn)流器更昂貴，并將增加其尺寸。
可以設想使用能提供過壓保護的SIDAC。然而，由于SIDAC本身相當大的功率耗散，鎮(zhèn)流器電路的功率效率會降低。而且，在燈的不規(guī)則(不對稱)運行期間，特別是在壽命結束的情形下，加到燈上的功率可能造成燈具過熱。
本發(fā)明的目的是解決上面提到的問題，以及提供相對較低的成本和簡單的、用于運行高壓燈的電路裝置，其中功率耗散可減到最小。
按照本發(fā)明，提供了用于運行高壓放電燈的電子鎮(zhèn)流器，包括開關模式供電電路(SMPS)，用于向高壓放電燈提供干線電壓，供電電路包括半波電橋整流前向電路，它含有電感，第一電容器與第二電容器串聯(lián)的電容器電路，燈連接在電感與第一和第二電容器間的中點之間；占空比控制電路，連接到開關模式供電電路，用于控制半波電橋整流前向電路的占空比；以及過壓保護裝置，用于防止所述電容器過壓，包括中點電壓檢測電路，用于檢測在第一與第二電容器之間的中點處的電壓，中點電壓檢測電路提供代表檢測到的中點電壓的第一信號；電壓差確定電路，用于確定在第一信號與第二信號之間的差值，它代表干線電壓的一半，其中電壓差確定電路被連接到占空比控制電路，以及如果所確定的差值超過最大電壓差，占空比控制電路用來改變半波電橋整流前向電路的占空比。占空比改變，以使得中點電壓保持在上限與下限內(nèi)。更具體地，開關模式供電電源的占空比被減小，以使得當中點電壓向上漂移時，保持中點電壓在上限電平處，而當中點電壓向下漂移時，保持中點電壓在下限電平處。
這將使得中點電壓和在電橋電容器上的電壓被校正到安全值。過壓保護電路實際上阻止電容器串聯(lián)電路的每個電容器的過壓情形。而且，占空比以這種方式增加或減小，以使得在燈是導通的時間間隔內(nèi)電源功率最小化，這將減小鎮(zhèn)流器中的功率耗散和燈具的發(fā)熱。
按照優(yōu)選實施例，當中點電壓達到等于干線電壓的一半加上最大電壓差的上限時，占空比減小，占空比的減小導致中點電壓等于或小于上限，而當中點電壓達到等于干線電壓的一半減最大電壓差的下限時，占空比被增加，占空比的增加導致中點電壓等于或高于下限。
按照另一個優(yōu)選實施例，代表干線電壓的第二信號是預先規(guī)定的信號。這個相對較簡單的實施例可應用在由開關模式供電電源提供的干線電壓是恒定的情形下。然而，在可變的干線電壓的情形下，例如，在燈的啟動階段期間干線電壓被提升以產(chǎn)生足夠的開路電壓，而在正常運行期間干線電壓被減小以提高鎮(zhèn)流器的效率的這種情形下，另一個實施例也是優(yōu)選的，其中代表干線電壓一半的第二信號由檢測電路提供，該檢測電路被連接到由開關模式供電電源提供的干線電壓。這時，第二電壓取決于供電電源的實際干線電壓，由此提供在正常運行期間和啟動運行期間的過壓保護。
優(yōu)選地，中點電壓檢測電路是與干線電壓和中點電壓相連接的電阻分壓器，以及干線電壓檢測電路是與干線電壓相連接的電阻分壓器。這些電路是相對較簡單的。此外，被連接到電容器中點的電阻分壓器被做成基本上對稱的，以保持電阻負載為對稱的。
在優(yōu)選實施例中，占空比控制電路包括與觸發(fā)器串聯(lián)連接的頻率振蕩器，其中觸發(fā)器的輸出是驅(qū)動半波電橋整流前向(HBCF)的邏輯整流信號。這個輸出被使用來交替地接通和關斷開關模式供電電源的兩個半波電橋開關元件。優(yōu)選地，觸發(fā)器是D型觸發(fā)器和特別是用作為二分頻器。分頻器與振蕩器串聯(lián)連接，以保證50％的占空比。
在另一個優(yōu)選實施例中，電壓差確定電路包括第一開關元件(Q4)，當中點電壓是在上限時它是導通的，和第二開關元件(Q3)，當中點電壓是在下限時它是導通的。這提供一個或多個第三輸出信號，表示是否達到了允許的中點電壓范圍的邊界之一。在第一開關元件(Q4)被連接到觸發(fā)器的RESET(復位)輸入端和第二開關元件(Q3)被連接到觸發(fā)器的SET(置位)輸入端的情形下，第一開關元件或第二開關元件分別從非導通模式轉(zhuǎn)移到導通模式，將迫使觸發(fā)器復位或置位。只要任一個開關元件保持在導通模式，觸發(fā)器的輸出端O處的輸出將分別具有邏輯低電平值或邏輯高電平值。這將使得鎮(zhèn)流器的占空比的設置被減小或被增加。
下面參照附圖闡述本發(fā)明的進一步的優(yōu)點，特性和細節(jié)，其中

圖1顯示按照本發(fā)明的優(yōu)選實施例的電子鎮(zhèn)流器的電路圖；圖2更詳細地顯示圖1的電路圖的一部分；圖3顯示在中點電壓向上漂移的情形下電容器串聯(lián)電路的中點電壓、控制信號和邏輯整流信號的圖；以及圖4顯示在中點電壓向下漂移的情形下電容器串聯(lián)電路的中點電壓、控制信號和邏輯整流信號的圖。
圖1顯示用于高壓放電燈LA的二級鎮(zhèn)流器。鎮(zhèn)流器的第一級I包括用于把AC供電電壓(典型地230V 50Hz主電源)變換成DC供電電源的整流器2，和用于提升DC供電電壓的提升變換器3。在圖1上顯示提升變換器或上變換器的典型拓撲。提升變換器本身由電感Lboost，開關元件T和二極管D組成。
在燈的啟動階段期間，開關模式供電電壓SMPS的輸出電壓或干線電壓被提升，以建立足夠的開路電壓(OCV)。在燈的運行的階段中所需要的開路電壓取決于所使用的HID燈的類型。典型地，在啟動階段期間干線電壓被提升到約500V，產(chǎn)生250V的OCV。在以后的燈的正常運行期間，干線電壓被減小(典型地約400V)，以提高鎮(zhèn)流器的效率。
鎮(zhèn)流器的第二級II包括半波電橋整流前向HBCF電路，用作為雙下變換器。HBCF電路包括第一MOSFET T1，第二MOSFET T2，第一與第二(內(nèi)部)體二極管D1與D2，與燈串聯(lián)的燈的電感Lhbcf，與燈并聯(lián)的燈的電容器Cr，以及互相串聯(lián)的兩個電解電橋電容器Cs1和Cs2。電橋電容器Cs1和Cs2是相對較小尺寸和便宜的電解電容器，每個具有僅僅300V的最大值電壓額定值。半波電橋整流前向電路在臨界的非連續(xù)模式下運行，允許零電壓切換。每半個整流周期(約100Hz的整流頻率)，一個MOSFET(第一MOSFET T1或第二MOSFET T2)與另一個MOSFET的二極管(D1或D2)相組合地運行。
半波電橋整流前向電路由占空比控制電路操縱，它包括低頻振蕩器，如圖2所示(提供時鐘信號CLK，典型地約200Hz)。振蕩器與二分頻器串聯(lián)連接。分頻器被提供來保證精確的50％的占空比。在本實施例中，如圖2所示，分頻器是由D型觸發(fā)器構建的。通常，數(shù)據(jù)輸入端(D)與它本身的O’輸出端(它是輸出端O的倒相端)相連接，D型觸發(fā)器在時鐘脈沖時在它的D輸入端處看到它的現(xiàn)有的輸出的反碼。輸出信號是輸入信號頻率的一半。把低頻振蕩器部分的200Hz輸出信號連接到觸發(fā)器的時鐘端CLK，半波電橋用約100Hz的整流頻率驅(qū)動。
在燈的正常運行期間，半波電橋整流前向電路的低頻(典型地約100Hz的整流頻率)占空比是50％。占空比是50％，因為半波電橋的“燈的”負荷在燈的正常運行期間的大多數(shù)情形下是對稱的。
然而，在啟動階段期間和/或燈的壽命(EOL)結束時，燈的特性可能是不規(guī)則的，造成半波電橋整流前向電路的非對稱的燈的負荷。例如，在占空比的一半周期，燈可能是導通的，而在另半個周期，燈可能是非導通的。半波電橋的這種非對稱負荷導致電容器串聯(lián)電路Cs1，Cs2中的中點電壓的移位，也就是，在第一電解電容器Cs1和第二電解電容器Cs2之間的中點處的電壓增加或減小。
當圖1的燈LA在MOSFET T1是導通和MOSFET T2是不導通的第一個半周期中是導通的，以及燈在MOSFET T1是不導通和MOSFET T2是導通的第二個半周期中是非導通時，中點電壓將增加。在400V的干線電壓Vrail的情形下，中點電壓會從200V移到超過第二電解電容器Cs2的最大電壓額定值(300V)的電壓值。另一方面，當燈在MOSFET T1是導通和MOSFET T2是不導通的第一個半周期中是非導通的，以及燈在MOSFET T1是不導通和MOSFET T2是導通的第二個半周期中是導通時，中點電壓將降低。在200V的干線電壓Vrail的情形下，中點電壓從200V移到超過第一電解電容器Cs1的最大值電壓額定值(300V)的電壓值。
在燈的啟動階段期間，干線電壓被提升到500V。250V的中點電壓只可以向上或向下移動50V，達到第二電橋電容器Cs2或第一電容器Cs1的最大電壓額定值。
為了防止超過任一個電容器的最大電壓額定值，提供了過壓保護裝置。按照圖1所示的實施例，提供了兩個分壓器。第一電阻分壓器是電容器中點電壓檢測分壓器CVD，它被連接到半波電橋所運行的干線電壓Vrail和在兩個電橋電容器Cs1和Cs2之間的中點，以及提供代表檢測的中點電壓的第一輸出信號。第二電阻分壓器是干線電壓分壓器RVD，它被連接到干線電壓，以及提供代表半波電橋所運行的實際的干線電壓的第一輸出信號。當干線電壓在燈的啟動階段期間被提升時，正如前面提到的，第二分壓器將跟隨提升的干線電壓，而第二輸出信號將代表在這個時刻的實際的干線電壓。
在另一個優(yōu)選實施例中(未示出)，干線電壓在燈的運行期間是恒定的。在這種情形下，可以省去第二分壓器，以及來自電容器中點電壓檢測分壓器的第一信號可以與代表恒定的干線電壓的恒定信號相比較。
在圖2上，詳細地顯示電容器中點電壓檢測分壓器和干線分壓器。電容器中點電壓檢測分壓器被做成對稱的，以保持相對較小的電阻負荷也是對稱的。在具有對稱電容器電壓分布的正常情形下，第一和第二電阻分壓器的輸出信號是等價的。
電阻分壓器與分立的差分電壓測量電路相耦合，如圖1所示。這個電路測量由電容器中點電壓檢測分壓器提供的第一信號與由干線分壓器提供的第二信號之間的差值。當測量的電壓差的絕對值超過預定的電平時，就提供代表被確定的差值的第三信號。這個信號可能是正比于測量的電壓差值。
然而，在本實施例中，第三信號實際上包括兩個信號，它們在組合時把關于是否達到最大電壓差的信息提供到占空比控制電路(在后面描述)，如果是這樣的話，是否達到下限或上限。在本實施例中，差分電壓測量電路包括第一開關元件Q4和第二開關元件Q3，如圖2所示。當測量的電壓差正向地超過預定的數(shù)值時，也就是當測量的電壓差達到中點電壓上限(例如，+300V)時，第一開關元件Q4成為導通。這使得RESET信號提供到占空比控制電路的觸發(fā)器FF。當測量的電壓差負向地超過預定的數(shù)值時，即，當測量的電壓差達到下限(例如，+100V)時，第二開關元件Q3成為導通。這使得SET信號提供到觸發(fā)器。
在半波電橋的正常的、對稱運行期間，SET和RESET信號是不工作的。當電容器中點電壓分布成為非對稱時，第一開關元件Q4或第二開關元件Q3成為工作的。當?shù)谝婚_關元件Q4成為導通和RESET信號被提供到觸發(fā)器時，觸發(fā)器的輸出將被迫為邏輯0(低的)電平，而當?shù)诙_關元件Q3成為導通和SET信號被提供到觸發(fā)器時，觸發(fā)器的輸出將被迫為邏輯1(高的)電平。這導致占空比的調(diào)整，正如此后說明的。
圖3顯示在造成中點電壓向上漂移的非對稱負荷的情形下電容器串聯(lián)電路的中點電壓(信號Sa)、用于觸發(fā)器的SET/RESET輸入端的控制信號(信號Sb)和觸發(fā)器(FF)的邏輯整流輸出信號(信號Sc)的圖。在鎮(zhèn)流器被接通后，電解電橋電容器的中點電壓由于燈的非對稱負荷而快速上升。在每個整流周期后，中點電壓上升相當大的量。在幾個整流周期后，中點電壓達到+300V的上限。當達到上限時，電壓差確定電路的第一開關元件Q4成為導通的。當來自第一開關元件Q4的控制信號(信號Sb)超過某個最小值時，這使得觸發(fā)器的RESET輸入端動作，由此，來自觸發(fā)器的整流輸出信號被迫為邏輯0(低)電平。整流輸出值將保持在這個低的數(shù)值，直至中點電壓減小為低于上限的數(shù)值為止。當中點電壓電平成為低于上限值時，第一開關元件Q4被關斷，以及整流輸出信號再次遵循來自振蕩器(除以二)的信號。
如上所述，LF整流電路被迫成為非對稱運行。最后得到的高度非對稱占空比阻止中點電壓超過危險的(較高的)電平(信號Sc)，從而超過第二電橋電容器C2的最大電壓額定值。
圖4顯示在中點電壓向下漂移的相反的情形下電容器串聯(lián)電路的中點電壓(信號Sd)、用于觸發(fā)器的SET/RESET輸入端的控制信號(信號Se)和邏輯整流輸出信號(信號Sf)的圖。當中點電壓達到下限時，電壓差確定電路的第二開關元件Q3成為導通的。這使得觸發(fā)器的SET輸入端動作，由此，來自觸發(fā)器的整流輸出信號被迫為邏輯1(高)電平。這意味著，LF整流電路被迫成為相反的非對稱運行。最后得到的高度非對稱占空比阻止中點電壓超過危險的(較低的)電平，從而超過第一電橋電容器C1的最大電壓額定值。
如圖3和4所示，在其中燈在導通的方向上時(在非對稱運行期間)提供的功率是有限的。在這樣的時間間隔中，僅僅是在與原先的整流周期(典型地1/100秒)相比較的相對較短的時間間隔期間，才向燈提供功率。這在燈的壽命結束時特別合適的，可以導致較低的總的功率耗散和較少的發(fā)熱。
本發(fā)明并不限于本發(fā)明的上述的優(yōu)選實施例；尋求的權利由以下的權利要求規(guī)定，在權利要求的范圍內(nèi)可以設想許多修正方案。
權利要求
1.用于運行高壓放電燈的電子鎮(zhèn)流器，包括開關模式供電電路(SMPS)，用于把干線電壓Vrail提供到高壓放電燈，供電電路包括半波電橋整流前向電路，它含有電感(Lhbcf)，第一電容器(Cs1)與第二電容器(Cs2)串聯(lián)的電容器電路，所述燈(LA)連接在電感(Lhbcf)與第一和第二電容器(Cs1，Cs2)間的中點(M)之間；占空比控制電路，連接到開關模式供電電路，用于控制半波電橋整流前向電路的占空比；以及過壓保護裝置，用于防止所述電容器的過電壓，包括-中點電壓檢測電路，用于檢測在第一與第二電容器之間的中點處的電壓，中點電壓檢測電路提供代表檢測到的中點電壓的第一信號；-電壓差確定電路，用于確定在第一信號與第二信號之間的差值，它代表干線電壓的一半，其中電壓差確定電路被連接到占空比控制電路，以及如果所確定的差值超過最大電壓差，則占空比控制電路用來改變半波電橋整流前向電路的占空比。
2.按照權利要求1的電子鎮(zhèn)流器，其中當中點電壓達到等于干線電壓的一半加上最大電壓差的上限時，占空比增加，而當中點電壓達到等于干線電壓的一半減去最大電壓差的下限時，占空比減小。
3.按照權利要求1或2的電子鎮(zhèn)流器，其中代表干線電壓的一半的第二信號是預先確定的信號。
4.按照權利要求1或2的電子鎮(zhèn)流器，其中代表干線電壓的一半的第二信號是由連接到干線電壓的檢測電路提供的。
5.按照權利要求1-4的任一項的電子鎮(zhèn)流器，其中中點電壓檢測電路是與干線電壓和中點電壓相連接的電阻分壓器。
6.按照權利要求4的電子鎮(zhèn)流器，其中干線電壓檢測電路是與干線電壓連接的電阻分壓器。
7.按照權利要求5或6的電子鎮(zhèn)流器，其中中點電壓檢測電路基本上是對稱的，以保持電阻負載對稱。
8.按照前面的權利要求的任一項的電子鎮(zhèn)流器，其中最大電壓差是100V量級的預先設置的值。
9.按照前面的權利要求的任一項的電子鎮(zhèn)流器，其中占空比控制電路包括與觸發(fā)器串聯(lián)連接的頻率振蕩器，其中觸發(fā)器的輸出是邏輯整流信號。
10.按照前面的權利要求的任一項的電子鎮(zhèn)流器，其中電壓差確定電路包括第一開關元件(Q4)，當中點電壓是在上限時它是導通的，以及包括第二開關元件(Q3)，當中點電壓是在下限時它是導通的。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于運行高壓放電燈的電子鎮(zhèn)流器，包括開關模式供電電路(SMPS)以便把干線電壓V
文檔編號H05B41/24GK1533684SQ02814487
公開日2004年9月29日 申請日期2002年6月5日 優(yōu)先權日2001年7月19日
發(fā)明者D·H·J·范卡斯特倫, D H J 范卡斯特倫 申請人:皇家菲利浦電子有限公司