專利名稱:氣體放電燈驅(qū)動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及驅(qū)動(dòng)氣體放電燈,特別是高強(qiáng)度氣體放電(HID)燈。特別是,本發(fā)明涉及一種氣體放電燈驅(qū)動(dòng)方法和一種具有高功率因數(shù)的單級氣體放電燈驅(qū)動(dòng)電路。
需要燈驅(qū)動(dòng)電路來向氣體放電燈、特別是高強(qiáng)度放電(HID)燈提供合適的電壓(和電流),以便使燈能夠工作。為了點(diǎn)燃燈,需要點(diǎn)燃電壓,并且需要預(yù)定工作電壓和電流來保持燈接通。
氣體放電燈驅(qū)動(dòng)電路、特別是高強(qiáng)度氣體放電燈驅(qū)動(dòng)電路在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的,并且例如與由AC電源電壓供電的放電燈一起使用。
已知的是,將提供的AC電壓轉(zhuǎn)換成DC電壓并將所述DC電壓提供給快速切換的橋電路以產(chǎn)生高頻AC電壓,由此例如提供高頻方波電壓。為了提供所述DC電壓,AC電源電壓在提供給所述橋電路之前被燈驅(qū)動(dòng)電路整流。使用這種驅(qū)動(dòng)電路具有以下缺點(diǎn)提供的能量被驅(qū)動(dòng)電路消耗,由此降低了驅(qū)動(dòng)電路的效率。
某些已知的燈驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和相應(yīng)的燈驅(qū)動(dòng)方法包括功率因數(shù)校正級。然而這種功率因數(shù)校正級本身消耗能量,并因此降低了驅(qū)動(dòng)電路的效率。
其它已知的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的目的在于消除功率因數(shù)校正級。在W.Chen和F.Lee的“An improved charge pump electronic ballast with lowthd and low crest factor”,APEC 1996中,提出了具有功率反饋的單級轉(zhuǎn)換器。這種驅(qū)動(dòng)電路只在預(yù)定條件下實(shí)現(xiàn)了低總諧波失真(THD)。為了實(shí)現(xiàn)所述預(yù)定條件,驅(qū)動(dòng)電路變得復(fù)雜了。這種復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路是昂貴的,并且對故障是敏感的。此外,在上述單級轉(zhuǎn)換器中,能量存儲(chǔ)是必要的。這種能量存儲(chǔ)需要大部件,從而產(chǎn)生大的驅(qū)動(dòng)電路。所述大能量存儲(chǔ)部件對于故障也是非常敏感的。
本發(fā)明的目的是提供一種不用能量存儲(chǔ)的高效且簡單的低成本氣體放電燈驅(qū)動(dòng)方法和驅(qū)動(dòng)電路。
上述目的是在根據(jù)權(quán)利要求1的用于驅(qū)動(dòng)氣體放電燈的方法中和在根據(jù)權(quán)利要求5的氣體放電燈驅(qū)動(dòng)電路中實(shí)現(xiàn)的。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中,AC電壓被整流成DC電壓,就像半正弦波那樣從零變化到AC電壓的最大電壓,該半正弦波電壓的頻率是AC電源電壓的頻率的兩倍。
提供給燈的電壓可以下降到工作電壓以下。DC電壓未被轉(zhuǎn)換成具有很少或沒有波紋的DC電壓。因此,在該燈驅(qū)動(dòng)電路中基本上不需要用于補(bǔ)償DC電壓的周期性下降的能量存儲(chǔ)。
根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電路的高頻半橋由控制電路控制來輸出高頻電壓。所述高頻電壓被提供給放電燈比如氣體放電燈。然而,該高頻橋輸出電壓變得周期性地低于上述預(yù)定工作電壓。因此,在根據(jù)本發(fā)明的方法和驅(qū)動(dòng)電路中,在負(fù)載電路中設(shè)置諧振電路。所述諧振電路防止每當(dāng)橋輸出電壓變得低于所述工作電壓時(shí)HID燈熄滅,這將在下面更詳細(xì)說明。
驅(qū)動(dòng)電路以及特別是其諧振電路被設(shè)計(jì)成使得,當(dāng)橋輸出電壓下降時(shí),在諧振電路上的電壓增加,并且將(再)點(diǎn)燃電壓提供給燈以確保燈不熄滅。
根據(jù)本發(fā)明的燈驅(qū)動(dòng)電路可以設(shè)有低通輸入濾波器,以從提供的AC電壓、特別是電源電壓中濾掉高頻部分。而且,在驅(qū)動(dòng)電路中產(chǎn)生的高頻,例如基頻的較高次諧波以及任何高頻噪聲信號,可能干擾電源電路。輸入濾波器還可以防止在驅(qū)動(dòng)電路中產(chǎn)生的高頻信號被傳輸?shù)诫娫措娐贰?br>
為了點(diǎn)燃?xì)怏w放電燈,橋輸出電壓的頻率可以向下掃描到諧振電路的諧振頻率或者其諧波,以掃描上升(sweep up)提供給氣體放電燈的電壓。因此,高電壓可以被提供給燈,需要該高電壓來點(diǎn)燃燈,而不需要附加點(diǎn)燃電路。
在燈驅(qū)動(dòng)電路的工作期間,諧振頻率可以是由橋電路輸出的電源電壓的頻率的一次或高次諧波。選擇具有這種關(guān)系的諧振頻率和橋輸出電壓頻率保證了諧振電路掃描上升在燈上的電壓,因?yàn)楫?dāng)由橋電路輸出的電壓下降時(shí),燈的阻抗增加。由于燈阻抗的所述增加,所以諧振電路的阻尼變得更小,并且掃描上升在諧振電路上的電壓。
如果諧振頻率是高次諧波,則優(yōu)選是高奇次諧波。由于橋輸出電壓基本上是高頻方波,因此它由所述方波的基頻的一系列高奇次諧波正弦波構(gòu)成,這可以通過方波的傅里葉分析來獲得。因此,如果諧振頻率是方波的基頻的高奇次諧波,則該方波將適合于在諧振電路中產(chǎn)生諧振。
在一個(gè)實(shí)施例中,燈電路包括氣體放電燈和第一諧振器電容的并聯(lián)電路,該并聯(lián)電路與電感串聯(lián)連接,該第一諧振器電容和電感是所述諧振電路的一部分。如上所述,當(dāng)由橋電路輸出的電源電壓下降時(shí),燈阻抗增加,并且燈電路的阻尼變得更小。在此簡單實(shí)施例中,結(jié)果在第一諧振器電容上的電壓增加,因此在包括該燈的并聯(lián)電路上的電壓增加。在所述并聯(lián)電路上增加的電壓防止燈熄滅。
在另一實(shí)施例中,第二諧振器電容與所述電感和所述并聯(lián)電路串聯(lián)連接。增加第二諧振器電容使得能夠減小第一諧振器電容的值。利用較小的第一諧振器電容,需要較小的電流來產(chǎn)生(再)點(diǎn)燃電壓??梢圆扇「郊哟胧﹣硖岣吖β室驍?shù)。例如,半橋頻率的頻率調(diào)制可以對輸入電流進(jìn)行整形,以使功率因數(shù)增加。
低通輸入濾波器可以包括第一輸入濾波器電容、輸入濾波器變壓器和第二輸入濾波器電容。在輸入濾波器的這種實(shí)施例中,第一輸入濾波器電容可以連接在輸入濾波器的第一和第二輸入端之間,并且第二輸入濾波器電容可以連接在輸入濾波器的第一和第二輸出端之間。輸入濾波器變壓器的第一繞組可以連接在輸入濾波器的第一輸入端和第一輸出端之間。輸入濾波器變壓器的第二繞組可以連接在輸入濾波器的第二輸入端和第二輸出端之間。這種輸入濾波器是EMI濾波器,其是在現(xiàn)有技術(shù)中已知的用于防止高頻信號在兩個(gè)獨(dú)立電路之間、在這種情況下例如是在電源電路和燈驅(qū)動(dòng)電路之間進(jìn)行通信的濾波器類型。
下文將參考示出了非限制性典型實(shí)施例的附圖來更詳細(xì)地說明本發(fā)明,其中
圖1示意性地說明根據(jù)本發(fā)明的氣體放電燈驅(qū)動(dòng)電路;圖2示出根據(jù)本發(fā)明的氣體放電燈驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)施例的電路圖;圖3A-3C分別示意性地說明由AC電壓源、輸入濾波器、整流器電路和半橋電路輸出的電壓;圖4示出在本發(fā)明實(shí)施例中的燈電流和燈電壓;以及圖5示出在本發(fā)明實(shí)施例中的電感電流和燈電壓。
圖1示意性地說明氣體放電燈驅(qū)動(dòng)電路20和與其連接的氣體放電燈10。燈驅(qū)動(dòng)電路20還被連接到AC電壓源70,例如以50Hz或60Hz的頻率交變的電源電壓。
燈20包括輸入濾波器30、整流器電路40和半橋電路50。燈10被連接到諧振電路60,該諧振電路60與氣體放電燈10一起形成半橋電路50的負(fù)載電路。根據(jù)本發(fā)明的燈驅(qū)動(dòng)電路20不包括任何能量存儲(chǔ)電路或任何功率因數(shù)校正電路。
由電壓源70提供的AC電壓被輸入濾波器30進(jìn)行濾波。輸入濾波器30是低通濾波器,例如本領(lǐng)域公知的電磁干擾(EMI)濾波器,用于從輸入電壓中濾掉高頻信號,并且可能用于防止高頻信號被傳輸?shù)紸C電壓源70,例如電源電壓源。
整流器電路40從輸入濾波器30接收濾波的AC電壓,并將所述電壓進(jìn)行整流。整流器電路40可以是公知的全二極管橋電路,但也可以是任何其他有源或無源的整流器電路。整流器電路40不從DC電壓中除去任何波紋,因此不需要能量存儲(chǔ)。
由于對AC電壓進(jìn)行整流而不用除去任何波紋,因此,如果由電壓源70提供50Hz電源電壓,則所得到的DC電壓以供應(yīng)電壓的頻率的兩倍的頻率例如100Hz從最大電壓變?yōu)榱?。然而,?dāng)提供低于預(yù)定工作電壓的電壓時(shí),氣體放電燈10將熄滅。
半橋電路50接收具有大波紋的所述DC電壓。半橋電路50被構(gòu)造為將高頻AC電流提供給氣體放電燈10。向氣體放電燈10提供高頻AC電流以防止燈10的可見光閃爍。
高頻電流被提供給包括諧振電路60和氣體放電燈10的負(fù)載電路。然而,由半橋電路50提供的高頻電流的強(qiáng)度以在提供給半橋電路50的DC電壓中存在的波紋的低頻率進(jìn)行變化。結(jié)果,由半橋電路50提供的電流周期性地即以波紋頻率的頻率變得太低,以至于不能使氣體放電燈10不熄滅。
為了防止氣體放電燈10的所述熄滅,負(fù)載電路包括燈10和諧振電路60。當(dāng)燈10有熄滅的危險(xiǎn)時(shí),諧振電路60進(jìn)行諧振,以使在負(fù)載電路中產(chǎn)生高電壓,特別是在燈10上產(chǎn)生高電壓。由此,產(chǎn)生的高電壓防止燈10熄滅。
圖2說明根據(jù)本發(fā)明的氣體放電燈驅(qū)動(dòng)電路20的實(shí)施例。輸入濾波器30分為兩個(gè)濾波器部分30A和30B。第一濾波器部分30A包括第一輸入濾波器電容C1、輸入濾波器變壓器T1和第二輸入濾波器電容C2。第一輸入濾波器電容C1連接在輸入濾波器部分30A的第一輸入端IN1和第二輸入端IN2之間。第二輸入濾波器電容C2連接在輸入濾波器部分30A的第一輸出端OUT1和第二輸出端OUT2之間。輸入濾波器變壓器T1的第一繞組W1連接在輸入濾波器部分30A的第一輸入端IN1和第一輸出端OUT1之間。輸入濾波器變壓器T1的第二繞組W2連接在輸入濾波器部分30A的第二輸入端IN2和第二輸出端OUT2之間。
第二輸入濾波器部分30B包括第三輸入濾波器電容30B,并設(shè)置在整流器電路40的后面。整流器電路4包括以全橋結(jié)構(gòu)的四個(gè)二極管D1-D4,這是本領(lǐng)域公知的。
半橋電路與包括諧振電路和氣體放電燈10的負(fù)載電路用參考數(shù)字80表示。半橋電路包括兩個(gè)晶體管Q1和Q2、兩個(gè)二極管D5和D6、以及兩個(gè)電容C5和C6。諧振電路包括電感I1和電容C4。用于控制晶體管Q1和Q2的控制電路未被示出。該控制電路分別被連接到所述晶體管Q1和Q2的柵極G1和G2。
輸入濾波器30和整流器電路40是本領(lǐng)域已知的電路。注意,電容C3是用作低通濾波器的相對較小的電容,而不用作能量存儲(chǔ)電容器。電容C3打算除去由整流器電路40輸出的電壓中的任何高頻部分。
由整流器電路40(和輸入濾波器部分30B)輸出的DC電壓被提供給半橋電路50。連接到柵極G1和G2的控制電路一個(gè)接一個(gè)地接通晶體管Q1和Q2,以使在負(fù)載端子L1和L2之間產(chǎn)生AC電壓。由此在包括諧振電路60和燈10的負(fù)載電路上產(chǎn)生AC電壓。由控制電路切換的頻率確定在負(fù)載電路上AC電壓的頻率。
在工作中,即當(dāng)燈10點(diǎn)燃時(shí),通過負(fù)載電路的AC電流在氣體放電燈10中產(chǎn)生電弧。為了保持電弧導(dǎo)通,在燈10上的電壓必須高于預(yù)定工作電壓。由于提供給半橋電路50的DC電壓中的波紋,所以由半橋電路50輸出的AC電壓周期性地下降到所述工作電壓以下。
當(dāng)所述AC電壓下降到幾乎為零時(shí),燈電流下降到幾乎為零,由此導(dǎo)致燈10的高阻抗。由于燈的高阻抗,負(fù)載電路的阻尼變得更小,結(jié)果諧振電路將強(qiáng)烈地進(jìn)行諧振。諧振電路的這種諧振掃描上升在負(fù)載電路上的電壓,特別是在燈10上的電壓,由此防止燈10熄滅。
所說明的諧振電路的實(shí)施例是合適的諧振電路的簡單例子。諧振電路可以是更復(fù)雜的電路,例如包括與電感I1串聯(lián)的附加電容。例如,這種附加電容使得能夠減少第一電容C4的值,以便提高該電路的功率因數(shù)。
調(diào)諧半橋電路的頻率和諧振電路的諧振頻率,以使諧振頻率與所述工作頻率相同,或者諧振頻率可以是工作頻率的高奇次諧波。因此,當(dāng)AC電壓已經(jīng)下降到工作電壓以下時(shí),諧振電路將進(jìn)行諧振。
為了點(diǎn)燃?xì)怏w放電燈10,半橋電路開始以高于諧振電路的諧振頻率的頻率工作。然后,工作頻率向諧振頻率降低,直到工作頻率接近于諧振頻率或者如上所述的其諧波為止。將這樣的電壓和電流提供給諧振電路導(dǎo)致諧振電路的諧振。諧振電路的諧振由此在氣體放電燈10上產(chǎn)生足夠的電壓以點(diǎn)燃燈10。之后,在工作期間,半橋電路保持在所述工作頻率工作。
圖3A-3C示出在根據(jù)本發(fā)明的燈驅(qū)動(dòng)電路中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)上的作為時(shí)間t的函數(shù)的理論電壓V。圖3A示出由具有電源電壓作為輸入的輸入濾波器輸出的AC電壓。例如AC電源供給電壓是頻率為50Hz的正弦波。輸入濾波器防止高頻信號被傳輸?shù)诫娫措妷涸础?br>
由整流器電路輸出的DC電壓被示于圖3B中。在DC電壓中的波紋的頻率是提供的AC電壓的正弦頻率的頻率的兩倍,因此該波紋的頻率是100Hz。半橋電路接收圖3B所示的DC電壓,并通過高頻切換半橋電路來輸出圖3C所示的電壓。該輸出電壓是具有對應(yīng)于圖3A所示的提供的AC電壓的正弦頻率的正弦低頻包絡(luò)的高頻交流電壓。
圖3Aa-3C中所示的電壓是理論上的,從而意味著它們可以根據(jù)連接到半橋電路的負(fù)載電路而不同。而且,在這些電路中使用的部件的非理想的特性可能影響圖3A-3C所示的電壓的實(shí)際形狀和值。
圖4示出作為時(shí)間t的函數(shù)的在本發(fā)明實(shí)施例中所測量的氣體放電燈電流I1和燈電壓V1。由于高頻信號,所以實(shí)際信號不再是可區(qū)別的,而僅僅包絡(luò)是可見的(還參見圖3C)。使用50Hz電源電壓獲取信號I1和V1,并且可以期望所示的燈電流包絡(luò)具有100Hz的頻率和基本上正弦的形狀。
所示的燈電壓包絡(luò)不具有正弦形狀。在燈電流I1的正弦波的零交叉t1,電壓V1的包絡(luò)基本上是零。然后,諧振電路掃描上升電壓V1和燈點(diǎn)燃。由于燈點(diǎn)燃,所以燈電流I1開始流動(dòng)。由于電流流過燈,所以諧振電路衰減,并且電壓V1下降到預(yù)定電平,該預(yù)定電平仍然在燈的工作電壓電平之上。當(dāng)燈電流I1再次變?yōu)榱銜r(shí),燈電壓V1下降到零,從而激勵(lì)諧振電路,由此開始新的周期。
圖5示出與圖4所示相同的燈電壓V1。此外,圖5示出在圖2所示的實(shí)施例的負(fù)載電路中流過諧振電路的電感的電流Ii。所示的時(shí)間刻度與圖4的時(shí)間刻度相同。用較小的刻度示出燈電壓V1,但是也與圖4所示的相同。
電感電流Ii與正弦波開始和結(jié)束時(shí)的燈電流I1明顯不同。當(dāng)通過燈的電流I1基本上為零時(shí),由于該電路中的諧振,通過線圈的電流Ii掃描上升。采用這種諧振效果來防止燈熄滅。
這里公開的根據(jù)本發(fā)明的氣體放電燈驅(qū)動(dòng)電路特別適合于驅(qū)動(dòng)高強(qiáng)度氣體放電(HID)燈。尤其是燈的密集應(yīng)用例如園藝應(yīng)用可能受益于所公開的燈驅(qū)動(dòng)電路,這是因?yàn)轵?qū)動(dòng)電路的高效率。
上述以及所說明的實(shí)施例是簡單的和節(jié)能的。然而,本發(fā)明不限于所說明的實(shí)施例,并且對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說下述將是顯而易見的,可以如何改變上述實(shí)施例而不脫離本發(fā)明的范圍。例如,高頻半橋電路可以用全橋電路來代替,并且輸入濾波器電路可以用適合于從電源電壓濾出高頻信號的任何其它低通濾波器來代替。
在上述的說明中以及在所附的權(quán)利要求書中,“包括”應(yīng)當(dāng)理解為不排除其它元件或步驟,并且“一個(gè)”或“一”不排除多個(gè)。此外,在權(quán)利要求書中的任何參考標(biāo)記不應(yīng)解釋為對本發(fā)明范圍的限制。
權(quán)利要求
1.用于驅(qū)動(dòng)氣體放電燈(10)的方法,包括-給整流器電路(40)提供AC電源電壓,該整流器電路(40)輸出雙向整流電壓;-給高頻橋電路(50)提供高頻控制信號;-給所述高頻橋電路(50)提供所述雙向整流電壓,該橋電路(50)輸出高頻橋輸出電壓;以及-給包括氣體放電燈(10)和諧振電路(60)的負(fù)載電路提供所述橋輸出電壓;其中控制橋輸出電壓的頻率,以使在氣體放電燈(10)的穩(wěn)態(tài)工作期間,每當(dāng)橋輸出電壓低于預(yù)定工作電壓時(shí),所述諧振電路(60)可以進(jìn)行諧振以將提供給氣體放電燈(10)的電壓掃描上升到高于預(yù)定點(diǎn)燃電壓的電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,還包括通過低通輸入濾波器(30)對所述AC電源電壓進(jìn)行濾波。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中橋輸出電壓的頻率向下掃描到所述諧振電路(60)的諧振頻率或者所述諧振頻率的諧波,以掃描上升提供給氣體放電燈(10)的電壓,以便點(diǎn)燃?xì)怏w放電燈(10)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中諧振電路(60)的諧振頻率是橋輸出電壓的頻率的一次或高奇次諧波。
5.用于驅(qū)動(dòng)氣體放電燈(10)的單級氣體放電燈驅(qū)動(dòng)電路(20),該電路(20)包括-用于對AC電源電壓進(jìn)行整流的整流器電路(40);-高頻橋電路(50),該橋電路的輸入端被連接到所述整流器電路(40)的輸出端,用于接收雙向整流電壓;-用于給所述橋電路(40)提供高頻控制信號的控制電路;以及-包括氣體放電燈(10)和諧振電路(60)的負(fù)載電路,該負(fù)載電路被連接到所述橋電路(50),用于接收高頻橋輸出電壓;其中橋輸出電壓的頻率由控制電路控制,以使在氣體放電燈(10)的穩(wěn)態(tài)工作期間,每當(dāng)橋輸出電壓低于預(yù)定工作電壓時(shí),所述諧振電路(60)可以進(jìn)行諧振以將提供給氣體放電燈(10)的電壓掃描上升到高于預(yù)定點(diǎn)燃電壓的電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單級氣體放電燈驅(qū)動(dòng)電路(20),該驅(qū)動(dòng)電路(20)還包括用于對高頻信號進(jìn)行濾波的低通輸入濾波器(30),所述整流器電路(40)的輸入端被連接到所述輸入濾波器(30)的輸出端(OUT1,OUT2),用于接收濾波的AC電源電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單級氣體放電燈驅(qū)動(dòng)電路(20),其中負(fù)載電路包括氣體放電燈(10)和第一電容(C4)的并聯(lián)電路,該并聯(lián)電路與電感(I1)串聯(lián)連接,該電容(C4)和電感(I1)是所述諧振電路(60)的一部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的單級氣體放電燈驅(qū)動(dòng)電路(20),其中第二電容與所述電感(I1)和所述并聯(lián)電路串聯(lián)連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的單級氣體放電燈驅(qū)動(dòng)電路(20),其中低通輸入濾波器(30)包括第一輸入濾波器電容(C1)、輸入濾波器變壓器(T1)和第二輸入濾波器電容(C2),第一輸入濾波器電容(C1)連接在輸入濾波器(30)的第一和第二輸入端(IN1,IN2)之間,以及第二輸入濾波器電容(C2)連接在輸入濾波器(30)的第一和第二輸出端(OUT1,OUT2)之間,輸入濾波器變壓器(T1)的第一繞組(W1)連接在輸入濾波器(30)的第一輸入端(IN1)和第一輸出端(OUT1)之間,以及輸入濾波器變壓器(T1)的第二繞組(W2)連接在輸入濾波器(30)的第二輸入端(IN2)和第二輸出端(OUT2)之間。
全文摘要
使用高頻燈電流來驅(qū)動(dòng)氣體放電燈。燈驅(qū)動(dòng)電路包括用于提供所述燈電流的高頻橋電路。為了防止燈熄滅,當(dāng)燈電壓低于預(yù)定的燈工作電壓時(shí),在燈驅(qū)動(dòng)電路中,在燈和高頻橋電路之間設(shè)置諧振電路。選擇橋電路的頻率,以使諧振電路可以進(jìn)行諧振以將提供給氣體放電燈的電壓掃描上升到高于所述燈工作電壓的電壓。
文檔編號H05B41/288GK1973582SQ200580020475
公開日2007年5月30日 申請日期2005年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月21日
發(fā)明者R·H·范德沃特, O·J·多爾盧 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司