CN101133687A - 用于高压气体放电灯的点火器电路 - Google Patents

用于高压气体放电灯的点火器电路 Download PDF

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CN101133687A CNA2005800488599A CN200580048859A CN101133687A CN 101133687 A CN101133687 A CN 101133687A CN A2005800488599 A CNA2005800488599 A CN A2005800488599A CN 200580048859 A CN200580048859 A CN 200580048859A CN 101133687 A CN101133687 A CN 101133687A
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Abstract

一种用于HID灯(11)的点火器电路(10)，其具有：一个直流输入端(VBUS)，用于耦合到直流电压源，一个输出端(23，24)，用于耦合到该HID灯。一个共振点火电路(12)，在可控制的共振频率下运行，该电路耦合到所述用于产生连续的电压脉冲序列的直流输入端，该电压脉冲序列具有与共振频率相等的频率，并且具有随着时间的进行而增长的振幅。上述共振点火电路(12)用于馈送所述电压脉冲序列到该点火器的输出端，直到与其耦合的HID灯击穿。

Description

用于高压气体放电灯的点火器电路
技术领域
本发明涉及用于高压气体放电(HID，high intensity discharge)灯的点火器。
背景技术
高压气体放电(HID)电子镇流器的功能是给诸如金属卤化物灯提供点火功能，用于启动该灯，并且接着对该灯进行操作。金属卤化物灯是气体放电灯，其中例如在石英壳层中装入金属卤化物。
金属卤化物灯的启动需要一个较高的点火电压。一旦将灯点着，电压就降低到20V一级的低电压，接着将灯在所谓的“电流模式”下保持一段较短的时间(通常是1-2分钟)，其中，电流模式下的电流恒定，在灯达到标称功率前，电压不断升高，随后镇流器起稳定功率的作用。
对现有技术中的点火器电路公知的是：从小于共振频率的频率中去除难以控制的振荡器频率，这样当频率达到共振频率时，电压达到最大值并且灯被点燃。然而在操作过程中，随着频率的持续升高，电压会因此而下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于HID灯的点火器电路，该HID灯使用一个自振荡电源，用于在对该灯施加高点火电压时，使得该点火电压随着时间的进行而增加。
本发明的进一步的目的在于提供一个点火器电路，将该电路配置成：直接与具有一个半桥拓扑的转换器耦合，用于在点火之后给该灯提供低频率电流。
根据本发明的第一个方面，通过一个用于HID灯的点火器电路实现的这些目的，该点火器电路包括：
一个直流(DC)输入端，用于耦合到直流电压源，
一个输出端，用于耦合到该HID灯，并且
一个共振点火电路，在可控制的共振频率下运行，该电路耦合到用于产生连续的电压脉冲序列所述的直流输入端，该电压脉冲序列具有与共振频率相等的频率，并且具有随着时间的进行而增长的振幅，并且，上述电路用于馈送所述电压脉冲序列到该点火器的输出端上，直到与其耦合的HID灯击穿。
根据本发明的第二个方面，提供一种用于HID灯点火的方法，该方法包括：
使用一个共振电路连接到灯上，以产生连续的电压脉冲序列，该电压脉冲序列具有与共振频率相等的频率，并且具有随着时间的进行而增长的振幅；并且
将所述电压脉冲序列施加到HID灯上，直到该灯点火，从而将共振电路上载，这样它的Q因数充分下降从而阻止共振电路的共振。
附图说明
为了理解该发明并且说明在实践中本发明是如何实现的，现在参考附图，通过非限定的示例形式的方式，描述一个优选的实施方式，其中：
图1是显示点火器电路功能的方框图，该点火器电路根据本发明的一个示例形式的实施方式用于HID灯；
图2是一个从功能上显示图1点火器电路的示意形式的电路图；
图3是提供给图2中显示的点火器电路的一系列点火脉冲的波形图；以及
图4是共振频率电压的波形图，该电压的幅度随着时间增长，并且在点火前将该电压施加到该HID灯。
具体实施方式
图1是根据本发明显示了点火器电路10功能的方框图，上述点火电路用于HID灯11。从DC电源VBUS对该点火器电路10进行操作，该DC电源VBUS不是点火器电路10自身的一部分，但是可以由本领域普通技术人员所熟知的方式制造。将DC电源VBUS提供给一个可控制的自振荡器12，该可控制的自振荡器12包括一个通过点火器脉冲控制电路14控制的自振荡器13。将该HID灯11耦合到可控制的自振荡器12上，该可控制的自振荡器12构成一个用于给该灯点火的点火器电路。该灯由电源15供电，尽管该电源可以是独立的，但通常将其耦合到该DC电源VBUS上。为了在HID灯11点火之后使点火器电路失效，可以将一个功率传感器16可响应地耦合到DC电源VBUS上，以感应到其中供应的电流。在灯11点火之前，功率传感器16感应到的电流是低电流；但是一旦该灯11点火，它就从该DC电源VBUS中汲取功率。因此功率传感器16用于指示HID灯是否已经点火了。点火脉冲控制电路14可响应地耦合在功率传感器16上，以便当功率传感器16感测到HID灯11点火以后停止操作。考虑到产品的完整性，尽管本质上与点火器电路无关，该功率传感器16还是提供了一个第二功能，其中该电源15包括一个功率调节器(未示出)，该调节器响应功率传感器16感测到的功率，用于稳定灯11的标称功率。
附图2是详细显示了如图1所示点火器电路10的优选实施方式的示意性电路图。
共振点火电路
该振荡器13包括一个驱动变压器T1，该变压器分别具有第一线圈20、第二线圈21和第三线圈22，将这些线圈正确的极性连接，用于正反馈(振荡)。第一线圈20的第一末端耦合到第一金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)M1的源端子，该MOSFET的栅极端子通过电阻R1与第一线圈20的第二末端耦合。第一MOSFET M1的漏极端子耦合到VBUS，上述VBUS通常具有400V的直流电压。一对齐纳二极管D1和D2背对背地耦合在第一线圈20的两端，通常使上述二极管的阳极相互连接，并且将它们相应的阴极分别连接到第一线圈20的相对末端。齐纳二极管D1和D2限制提供给MOSFET M1的栅极电压，并且由此保证当共振电压增加时，该电压不会损坏MOSFET M1的栅极。
以补充的方式，将第二线圈21的第一末端通过电阻R2耦合到第二MOSFET M2的栅极端子，该第二MOSFET M2的源极端子耦合到第二线圈21的第二末端并且构成地线GND。第二MOSFET M2的漏极端子耦合到第一MOSFET M1的源极端子。一对齐纳二极管D3和D4背对背地耦合在第一线圈20的两端，通常使上述二极管的阳极相互连接，并且将它们相应的阴极分别连接到第二线圈21的相对末端。齐纳二极管D3和D4限制提供给MOSFET M2的栅极电压，并且由此保证当共振电压增加时，该电压不会损坏MOSFET M2的栅极。第二线圈21的第一末端耦合到一个开关分流器25的“开”控制输出端，它的第二末端耦合到GND。开关分流器25的“关”控制输出端连接到MOSFET M2的栅极。开关分流器25的输入端连接到点火脉冲控制电路14的输出端，如下面将进行更细节的描述那样。开关分流器25起传送点火脉冲的作用，通过点火脉冲控制电路14将该点火脉冲传送到驱动变压器T1从而实现振荡过程；并且将停止信号传送到MOSFET M2的栅极，以在灯11点火之后阻止振荡。
将振荡器的驱动变压器T1第三线圈22的第一末端连接到第一电容C1，该电容与电阻器R3的第一末端串联连接，该电阻器的第二末端与变压器T2的各绕组的共同结点耦合，该变压器T2包括绕组L1和L2。将绕组L1和L2进行缠绕，使L1的第一末端连接到绕组L2的第二末端23，绕组L2的第一末端连接到HID灯11的第一末端。第三线圈22的第二末端连接到两个MOSFET M1和M2的共同结点，即连接到M1的源极和M2的漏极。
直流电源VBUS包括一对串联连接的电解电容器C2和C4，其连接在VBUS和GND之间，它们的共同结点24通过电容器C5连接到HID灯11的第二末端和绕组L1的第二末端。电容器C2和C4作为储能电容器，用于存储直流电压从而给受控自振荡器12和电源15充电。电源15作为低频率方波电流源，控制电源如图2中26所示的那样，连接到绕组L1和电容器C5的共同结点。以已知的方式通过转换器(未示出)产生低频率方波电流源。优选地，转换器是一个半桥拓扑，其中电容C2和C4是所需构成元件。电容器C2和C4的结点以及绕组L2的第一末端构成点火器电路10的输出终端，跨越该点火器电路将HID灯进行耦合。
在描述了共振点火电路12的拓扑之后，现在下文将描述该电路的操作。
共振点火电路由M1和M2，R1，R2，D1，D2，D3，D4，T1，C1，R3，L1，C4(短路)，C5(短路)构成，并且它的共振频率f0由C1，L1根据下列等式来确定：
f 0 = 1 2 π L 1 · C 1
C4和C5在共振频率处具有非常低的阻抗，并且实际上作为短路运行。品质因数(Q factor)由R1，R2，R3的值来确定。电阻R1和R2与两个MOSFET M1和M2的栅极输入电容量一起产生一个相移，该相移在供给灯的共振电压中产生衰减。
由品质因数决定最大峰值电压，该电压在击穿前，可以供给HID灯11，该电压可以是几千伏，然后当供给灯的电压降到一个低电压的时候，通常在20V的级别，保持恒流，直到达到灯的标称功率。
在图3中显示了共振频率f0下的点火脉冲序列，这个点火脉冲序列通过由C1和L1构成的共振电路，提供给M1的源极和M2的漏极之间的结点，这样，共振电路与增加的振幅共振，由于驱动变压器T1的线圈产生的正反馈，增加的振幅的目的是为产生如图4中图形所示的每个点火脉冲的持续时间。在每个点火脉冲的末期，当循环重复的时候，共振灯电压的振幅降低，直到在下一个点火脉冲到来前，电压基本上达到零。如所指出的那样，C4在共振频率处具有低的阻抗并且作为短路电容。
当灯11开始导通，灯起到低阻抗电阻的作用，流过灯的电流是由低频电流源26(对应图1中显示的电源15)提供，上述电流流过作为扼流圈组成元件的L1和L2，上述扼流圈过滤了一些高频脉动。C5用作第一过滤器，用于去除参杂在低频电流上的高频脉动。C2和C4的中点电压与半VBUS相等，C2和C4形成半桥转换器的一部分，该转换器起到在点火之后将低频电流提供给灯11的作用；这样，C2和C4构成图1中的电源15和图2中显示的低频电流源26的所需元件。
在灯击穿以前，该变压器T2起灯点火器的作用；并且在击穿以后，当灯开始在电流模式中导通时，该变压器起一个用于去除高频脉动的扼流圈的作用。
该目的是为了产生一个高电压波形，该波形具有的增加振幅能够应用到如图4图形显示的灯上。当灯电压达到一定电压(根据灯的温度，可以是1kV-4kV)，该灯点火。当这种情况发生的时候，灯阻抗降到一个低的值，并且负载该共振电路，这样它的品质因数显著下降并且它停止共振。该自振荡电路阻止振荡器线圈T1振荡。
点火脉冲控制电路
如上所述，由于点火之后，低的灯阻抗负载共振电路，引起品质因数显著下降，因此当HID灯11点火的时候，振荡器13停止振荡。然而，不单单依赖于此，可考虑更好的是一旦将灯点火，就使点火电路停止，这可以通过点火器脉冲控制电路14获得。点火器脉冲控制电路14包括一个比较器27，该比较器27具有一个正向输入，其中将参考电压信号PREF供给该输入，并且比较器具有一个反向输入，反向输入与功率传感器16相耦合，这样以便接收与跨越HID灯11的功率成比例的电压信号PIN。图3中以图形显示的具有由TON和TOFF决定的占空因数的点火脉冲，将点火脉冲供给一个具有两输入与门28的一个输入端，而将在比较器输出的逻辑信号提供给与门28的第二个输入端。在灯开始导通之前，PIN是低值，并且比较器的输出是逻辑HIGH值；因此与门28将点火脉冲传送到开-关分流器25。当灯点火，PIN值比PREF值大，比较器27的输出为低，因此与门28停止将点火脉冲供给开-关分流器25。
振荡器13是自控制的，以在共振频率下运行，该共振频率由C1和L1确定，尽管C1的值和L1的值存在差异，在大量生产中，由于元件公差将产生不同的共振频率，振荡器13总是可以在共振频率下运行。
此外，振荡器13的共振频率也是将HID灯11连接到共振点火电路12的导线的附加电容的函数，为其长度的函数。因此，振荡器13在共振频率下共振，而与将HID灯连接到共振点火电路12的导线长度无关。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1. 一种用于HID灯(11)的点火器电路(10)，该点火器电路包括：
一个直流输入端(VBUS)，用于耦合到直流电压源，
一个输出端(23，24)，用于耦合到该HID灯，
一个共振点火电路(12)，在自振荡共振频率下运行，该电路耦合到所述用于产生连续的电压脉冲序列的直流输入端，该电压脉冲序列具有与共振频率相等的频率，并且具有随着时间的进行而增长的振幅，并且，上述电路用于馈送所述电压脉冲序列到该点火器的输出端，直到与其耦合的HID灯击穿。
2. 根据权利要求1的点火器电路，其中该输入端包括一对储能电容器(C2，C4)，其适于存储高电压DC。
3. 根据权利要求2的点火器电路，其中上述一对储能电容器能够直接连接到半波桥整流器的各输出端。
4. 根据前面任意一个权利要求的点火器电路，其中DC电压源通过一对串联连接的电容(C2，C4)来导出。
5. 根据权利要求4的点火器电路，其中所述电容器为具有半桥拓扑的转换器的组成元件。
6. 根据前面任意一个权利要求的点火器电路，其中共振点火电路(12)包括一个振荡器(13)，该振荡器由耦合其上的点火脉冲控制电路(14)来控制。
7. 根据权利要求6的点火器电路，其中将点火脉冲控制电路(14)耦合到传感器(16)上，其响应HID灯的功率函数，用于在HID灯点火时使高电压振荡器电路停止。
8. 根据权利要求6或7的点火器电路，其中振荡器(13)包括：
一个驱动变压器(T1)，具有第一线圈(20)，第二线圈(21)和第三线圈(22)，连接起来用于产生正反馈，
第一线圈(20)的第一末端耦合到第一MOSFET(M1)的源端子，该MOSFET的栅极端子通过电阻(R1)与第一线圈(20)的第二末端相耦合，
第一MOSFET(M1)的漏极端子耦合到直流输入端(VBUS)，
将第二线圈(21)的第一末端通过电阻(R2)耦合到第二MOSFET(M2)的栅极端子，该第二MOSFET(M2)的源极端子耦合到第二线圈(21)的第二末端并且构成地线(GND)，
第二MOSFET(M2)的漏极端子耦合到第一MOSFET(M1)的源极端子，
第二线圈(21)的第一末端耦合到一个开关分流器(25)的“开”控制输出端上，该分流器适于将由点火脉冲控制电路(14)传送的点火脉冲传送到驱动变压器(T1)的第二线圈(21)，从而实现振荡；并且将停止信号传送到MOSFET(M2)的栅极，以在灯(11)点火之后阻止振荡，
第二线圈(21)的第二末端耦合到GND，
开关分流器(25)的“关”控制输出端连接到MOSFET(M2)的输出端，
开关分流器(25)的输入端连接到点火脉冲控制电路(14)的输出端，
振荡器驱动变压器(T1)的第三线圈(22)的第一末端连接到一个第一电容(C1)上，该电容与电阻(R3)的第一末端串联连接，
电阻(R3)的第二末端与变压器(T2)的变压器的各绕组的共同结点相耦合，该变压器(T2)包括第一绕组(L1)和第二绕组(L2)，第一绕组(L1)和第二绕组(L2)进行缠绕成：使第一绕组(L1)的第一末端连接到第二绕组(L2)的第二末端(23)，
第二绕组(L2)的第一末端连接到HID灯(11)的第一末端，以及
第三线圈(22)的第二末端连接到M1的源极和M2的漏极。
9. 根据权利要求8的点火器电路，其中振荡器(13)进一步包括：
一对齐纳二极管(D1，D2)背对背地耦合在第一线圈(20)的两端，通常使它们的阳极相互连接，并且将各个阴极分别连接到第一线圈(20)的相对末端，
一对齐纳二极管(D3，D4)背对背地耦合在第一线圈(20)的两端，通常使它们的阳极相互连接，并且将各个阴极分别连接到第二线圈(21)的相对末端。
10. 一种用于HID灯(11)点火的方法，该方法包括：
将一个自振荡共振电路(12)连接到该灯上，以产生连续的电压脉冲序列，该电压脉冲序列具有与共振频率相等的频率，并且具有随着时间的进行而增长的振幅；以及
将所述电压序列施加到HID灯上，直到灯点火，从而负载该共振电路，这样它的品质因数充分下降以阻止共振电路的自共振。
11. 根据权利要求10的方法，进一步包括在灯点火之后使共振电路停止的操作。
12. 一种用于HID灯(11)的点火器电路(10)，在此参考附图充分描述。
13. 一种用于HID灯(11)的点火方法，在此参考附图充分描述。

Claims (13)

1.一种用于HID灯(11)的点火器电路(10)，该点火器电路包括：
一个直流输入端(VBUS)，用于耦合到直流电压源，
一个输出端(23，24)，用于耦合到该HID灯，
一个共振点火电路(12)，在可控制的共振频率下运行，该电路耦合到所述用于产生连续的电压脉冲序列的直流输入端，该电压脉冲序列具有与共振频率相等的频率，并且具有随着时间的进行而增长的振幅，并且，上述电路用于馈送所述电压脉冲序列到该点火器的输出端，直到与其耦合的HID灯击穿。
2.根据权利要求1的点火器电路，其中该输入端包括一对储能电容器(C2，C4)，其适于存储高电压DC。
3.根据权利要求2的点火器电路，其中上述一对储能电容器能够直接连接到半波桥整流器的各输出端。
4.根据前面任意一个权利要求的点火器电路，其中DC电压源通过一对串联连接的电容(C2，C4)来导出。
5.根据权利要求4的点火器电路，其中所述电容器为具有半桥拓扑的转换器的组成元件。
6.根据前面任意一个权利要求的点火器电路，其中共振点火电路(12)包括一个振荡器(13)，该振荡器由耦合其上的点火脉冲控制电路(14)来控制。
7.根据权利要求6的点火器电路，其中将点火脉冲控制电路(14)耦合到传感器(16)上，其响应HID灯的功率函数，用于在HID灯点火时使高电压振荡器电路停止。
8.根据权利要求6或7的点火器电路，其中振荡器(13)包括：
一个驱动变压器(T1)，具有第一线圈(20)，第二线圈(21)和第三线圈(22)，连接起来用于产生正反馈，
第一线圈(20)的第一末端耦合到第一MOSFET(M1)的源端子，该MOSFET的栅极端子通过电阻(R1)与第一线圈(20)的第二末端相耦合，
第一MOSFET(M1)的漏极端子耦合到直流输入端(VBUS)，
将第二线圈(21)的第一末端通过电阻(R2)耦合到第二MOSFET(M2)的栅极端子，该第二MOSFET(M2)的源极端子耦合到第二线圈(21)的第二末端并且构成地线(GND)，
第二MOSFET(M2)的漏极端子耦合到第一MOSFET(M1)的源极端子，
第二线圈(21)的第一末端耦合到一个开关分流器(25)的“开”控制输出端上，该分流器适于将由点火脉冲控制电路(14)传送的点火脉冲传送到驱动变压器(T1)的第二线圈(21)，从而实现振荡；并且将停止信号传送到MOSFET(M2)的栅极，以在灯(11)点火之后阻止振荡，
第二线圈(21)的第二末端耦合到GND，
开关分流器(25)的“关”控制输出端连接到MOSFET(M2)的输出端，
开关分流器(25)的输入端连接到点火脉冲控制电路(14)的输出端，
振荡器驱动变压器(T1)的第三线圈(22)的第一末端连接到一个第一电容(C1)上，该电容与电阻(R3)的第一末端串联连接，
电阻(R3)的第二末端与变压器(T2)的变压器的各绕组的共同结点相耦合，该变压器(T2)包括第一绕组(L1)和第二绕组(L2)，第一绕组(L1)和第二绕组(L2)缠绕成：第一绕组(L1)的第一末端连接到第二绕组(L2)的第二末端(23)，
第二绕组(L2)的第一末端连接到HID灯(11)的第一末端，以及
第三线圈(22)的第二末端连接到M1的源极和M2的漏极。
9.根据权利要求8的点火器电路，其中振荡器(13)进一步包括：
一对齐纳二极管(D1，D2)背对背地耦合在第一线圈(20)的两端，通常使它们的阳极相互连接，并且将各个阴极分别连接到第一线圈(20)的相对末端，
一对齐纳二极管(D3，D4)背对背地耦合在第一线圈(20)的两端，通常使它们的阳极相互，并且将各个阴极分别连接到第二线圈(21)的相对末端。
10.一种用于HID灯(11)点火的方法，该方法包括：
使用一个共振电路(12)连接该灯，以产生连续的电压脉冲序列，该电压脉冲序列具有与共振频率相等的频率，并且具有随着时间的进行而增长的振幅；以及
将所述电压序列施加到HID灯上，直到灯点火，从而负载该共振电路，这样它的品质因数充分下降以阻止共振电路的共振。
11.根据权利要求10的方法，进一步包括在灯点火之后使共振电路停止的操作。
12.一种用于HID灯(11)的点火器电路(10)，在此参考附图充分描述。
13.一种用于HID灯(11)点火的方法，在此参考照附图充分描述。
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