用於氣體放電燈的電子驅動裝置的製作方法

2023-09-18 01:21:25 1

專利名稱：用於氣體放電燈的電子驅動裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於氣體放電燈的電子驅動裝置，該驅動裝置具有直流電壓轉換器，其具有功率因數校正電路；以及逆變器，其具有燈電感器和帶有兩個可獨立激勵的半橋的全橋。
背景技術：
根據獨立權利要求的前序部分，本發明基於一種用於氣體放電燈的電子驅動裝置，該驅動設備具有直流電壓轉換器，其具有功率因數校正電路；以及逆變器，其具有燈電感線圈和帶有兩個可獨立激勵的半橋的全橋。圖1示出了迄今的根據現有技術的電子驅動裝置的方案。該電子驅動裝置有三個級構成在包含直流電壓轉換器的第一級中，輸入交變電壓升高至400V的所謂的中間電路電壓UZK。中間電路電壓Uai是直流電壓，其通常受中間電路電容器支持。直流電壓轉換器以特殊模式工作，使得其同時實現功率因數校正電路的功能。直流電壓轉換器例如可以實施為反激式轉換器、Sepic (單端初級電感轉換器)轉換器或者Cuk轉換器。400V的直流電壓在其後的具有在半橋布置中的逆變器的第二級中下降至燈電壓水平的低頻交變電壓。交變電壓的頻率在此通常在50Hz到500Hz之間。通過中間電路電壓^高於燈電壓的兩倍，可以在逆變器中選擇半橋布置，其當然如已知那樣將輸出電壓相對於輸入電壓減半。該降低過的輸出交變電壓因此輸入到點燃級中，該點燃級產生用於起動放電燈5的點燃電壓。點燃級通常由疊加點燃裝置構成，該裝置將高的點燃電壓疊加至逆變器的輸出電壓。疊加點燃裝置的點燃電壓在此由單個的點燃脈衝構成，這些點燃脈衝被產生直至在氣體放電燈的燃燒器中發生電擊穿。出於效率和電磁兼容性的原因，逆變器中的降壓的半橋以帶間隙的工作方式工作。這能夠實現能量存儲器的完全放電並且由此將開關損耗最小化。在此，通常將燈電感線圈用作能量存儲器。然而在該工作方式下形成通過能量存儲器的顯著紋波電流，使得逆變器由此產生低頻的交變電壓，高頻的交變電壓調製到該交變電壓上。通過能量存儲器的紋波電壓通過完全的充電/放電而為三角形的並且在逆變器的輸出交變電壓上產生類似成形的紋波電壓。因為該高頻的紋波電壓會激勵在燃燒容器中的聲學諧振，所以該紋波電壓是所不希望的並且必須在燈之前被濾波。這通常藉助大的濾波電容來進行，該濾波電容平滑紋波電壓並且於是抑制聲學諧振的激勵。這是可能的，因為工作交變電壓的頻率明顯比調製過的電壓紋波的頻率小，該電壓紋波源於能量存儲器中的紋波電流。然而由於大的必要的濾波電容，只能將疊加點燃裝置用作點燃裝置。諧振點燃的裝置的使用由於大的濾波電容而是不可能的。任務本發明的任務是提出一種用於氣體放電燈的電子驅動裝置，其具有直流電壓轉換器，其具有功率因數校正電路；以及逆變器，其具有燈電感線圈和全橋，該全橋具有兩個可獨立激勵的半橋，使得可以將諧振點燃電路用作點燃級。

發明內容
根據本發明，該任務的解決藉助用於氣體放電燈的電子驅動裝置解決，該設備具有-直流電壓轉換器，其帶有功率因數校正電路，-逆變器，其帶有燈電感線圈，以及全橋，該全橋具有兩個可獨立激勵的半橋，該設備的特徵在於，-直流電壓轉換器附加地具有降壓功能，以及-燈電流調節，-將電壓降低至燈電壓的功能，以及-諧振點燃。該電路拓撲結構可以非常成本低廉地來使用，因為帶有點燃變壓器的點燃級以及由於中間電路電壓而產生的高的部件成本可以節約。直流電壓轉換器在此優選地設計為用於將輸入電壓降低至160V-250V的中間電路電壓。通過該措施可以使用明顯成本更低廉的部件，因為低於了半導體部件的技術決定的電壓邊界。當燈電流調節在逆變器中進行為使得承擔降低功能的半橋以無間隙的工作方式工作時，燈電感線圈中的紋波電流變小並且在燈中的聲學諧振被避免。燈電流的瞬時值在此基本上對應於燈電感線圈中的電流的瞬時值。通過該工作方式避免了在氣體放電燈燃燒器中的聲學諧振的激勵，這引起穩定工作。逆變器在此優選地具有燈電感線圈和諧振電容器，其中諧振電感線圈實施為自耦變壓器，其中間抽頭與諧振電容器連接。該裝置形成用於點燃燈的有效的諧振迴路。當可以藉助與諧振電容器連接的開關將通過諧振電容器的電流流動關斷時，其中開關在燈的點燃和接收(tiberaahine)期間接通，並且此後在燈的高燃燒(Hochbrennen)以及在燈的額定工作狀態中關斷，則可以保證電路裝置的有效並且可靠的工作方式，因為諧振迴路在標稱工作中不擊穿。在直流電壓轉換器與逆變器之間優選地設置有在工作期間引起電壓紋波的中間電路電容器，其中由逆變器產生的交變電壓與電壓紋波同步。在此，逆變器同步到電壓紋波的頻率，使得交變電壓始終在電壓紋波的最大值的範圍中換向。通過該措施保證了在換向期間的高電壓，明顯減少了氣體放電燈在換向期間的熄滅。在一個優選的實施形式中，燈電流優選地為矩形的，並且燈電流的水平優選地匹配為使得瞬時的燈功率在燈電流的正象限中與在燈電流的負象限中等大。在另一優選實施形式中，燈電流的佔空比設置為使得平均的燈電流在燈電流的正象限中與在燈電流的負象限中等大。由此，燈電極被均勻地加熱而並非不對稱地磨損。全橋優選地驅動為使得其劃分為兩個半橋，其中在氣體放電燈的工作期間第一半橋藉助高頻的脈寬調製的電壓來激勵，並且第二半橋藉助低頻的矩形電壓來激勵。通過該工作方式可以藉助全橋實現低頻的交變電壓以及降壓的工作。為了生成對諧振迴路合適的激勵頻率，在燈起動時兩個半橋都藉助高頻電壓來激勵。
用於氣體放電燈的電子驅動裝置的其他有利的改進方案和擴展方案從其他從屬權利要求以及從下面的描述中得出。


本發明的其他優點、特徵和細節藉助下面的實施例的描述以及藉助附圖得出，其中相同的或者作用相同的元件設置有相同的附圖標記。其中圖1示出了根據現有技術的電子驅動裝置的示意性模塊電路圖，圖2示出了根據本發明的電子驅動裝置的示意性模塊電路圖，圖3示出了根據本發明的在第一實施形式中的逆變器的示意性電路圖，圖4示出了根據本發明的在第二實施形式中的逆變器的示意性電路圖。
具體實施例方式圖2示出了根據本發明的電子驅動裝置的示意性模塊電路圖。根據本發明的電子驅動裝置僅僅具有兩個級。在包含直流電壓轉換器的第一級中，輸入交變電壓轉換為大約為180V的中間電路電壓Ua^為此，直流電壓轉換器除了功率因數校正之外具有降低的功能，因為該直流電壓轉換器例如將被整流的220V交變電壓從 325V降低到 180V的中間電路電壓。在跟隨其後的包含逆變器的第二級中，中間電路電壓轉換為低頻的交變電壓。 逆變器全橋的半橋在此作為降壓轉換器工作，其將中間電路電Suai降低至在量上較小的燈電壓。全橋的另一半橋在此藉助低頻的交變電壓工作。其通過降壓的半橋下降至燈電壓的數值。因為中間電路電壓Uzk已經很低，所以逆變器構建為全橋布置。在圖3中示出了在第一實施形式中的全橋布置的示意性電路圖。在此用作輸入電壓的中間電路電壓被中間電路電容器Cl支持。第一半橋110具有MOS-FET Tl和T2。 與這些MOS-FET分別並聯有續流二極體。這些續流二極體具有相對於內置在這些MOS-FET 中的續流二極體更好的電特性。這些續流二極體在該半橋110的情況下是有利的，因為其承擔降低的功能並且因此藉助高頻來激勵。在該半橋110的中間點連接有燈電感線圈L，其同時用作降壓電感線圈。與燈電感線圈L串聯有氣體放電燈5。第二半橋120藉助其中間點連接在該串聯電路的另一端部上。第二半橋120具有MOS-FET T3和T4。這些電晶體負責產生低頻的交變電壓，其施加到氣體放電燈5上。這些電晶體於是如上面提及那樣以低頻的時鐘控制將通過氣體放電燈5的電流方向反轉。對於該任務，集成到MOS-FET中的續流二極體足夠。出於該原因，半橋120的MOS-FET未並聯續流二極體。點燃電容器Q與氣體放電燈5並聯。降壓半橋110在根據本發明的電路裝置的情況下在燈起動時並且尤其在燈已起動的情況下(即當燈位於標稱工作點上時)以無間隙的工作方式工作，其中用作降壓電感線圈的燈電感線圈L在一個循環中並不完全放電。這具有提高的開關損耗的缺點，然而同時具有通過燈電感線圈L的減小的放電深度引起的顯著較小的電流紋波的優點。通過該明顯較小的電流紋波可以完全省去濾波電容器，該電容器由此僅僅還用作用於諧振點燃的點燃電容器。根據本發明的電路裝置的表面上較高的開關損耗通過總方案來最小化。通過僅僅為160V-250V、優選地在160V到230V之間的、相對於現有技術顯著較低的中間電路電壓，開關損耗降低至最小值，使得根據本發明的電路裝置實際上不具有比現有技術的電路裝置高的開關損耗。這可以非常容易地如下來估計電晶體的開關工作在有效的開關電容放電時通過1/2C*U2來描述。因為電壓在此以平方方式出現，所以在減半的電壓情況下的損耗僅僅為原始損耗的四分之一。然而小的開關損耗產生少的幹擾，這又改進了電磁兼容性。降壓的半橋110在此優選地藉助有象限選擇性的電流調節工作，該電流調節將燈功率在正半波以及在負半波期間保持為等大。在第一變型方案中，在此用於每個工作點的功率調節至預先確定的功率。這需要快速的電流調節，其可以根據瞬時的燈電壓調節脈寬調製。在較簡單的第二變型方案中，燈功率僅僅在整個半波上來調節，使得可以使用較簡單的、較緩慢的調節，其可以成本較低廉地來實現。通過有利的小的中間電路電壓，可以將具有相應地低的反向電壓的類型用作續流二極體，這些類型在其電特性方面具有明顯比在現有技術中必須使用的更高截止類型更好的特徵。低截止的二極體類型明顯較快並且具有顯著較柔的恢復特性，這又進一步改進了電磁兼容性並且於是更多地補償了硬開關的缺點。對於根據本發明的電路裝置的中間電路電壓，也可以從市面上獲得肖特基二極體，其還具有更好的特性並且進一步提高了根據本發明的設計的優點。為了點燃氣體放電燈5，降壓的半橋110藉助諧振迴路的諧振頻率來激勵，其由燈電感線圈L並且由濾波電容器Q構成。在濾波電容器Q上存在的電壓在此通過諧振振蕩至如下水平，該水平導致在氣體放電燈5的氣體放電燈燃燒器中的電擊穿。通過巧妙地控制降壓的半橋110的激勵頻率，也可以將氣體放電燈上的電壓在其點燃之後提高，以便實現氣體放電燈更好的起動特性。一旦燈位於所限定的燃燒狀態中，則降壓的半橋控制為使得該半橋實施電流調節的功能並且氣體放電燈由此藉助功率調節來驅動。在圖4中示出了在第二實施形式中的全橋布置的示意性電路圖。該實施形式與第一實施形式類似，因此僅僅闡述與第一實施形式的區別。第二實施形式的全橋替代與燈並聯的點燃電容器Q地具有由諧振電容器Ck和開關S構成的串聯電路。該串聯電路從實施為自耦變壓器的燈電感線圈或諧振電感線圈L連接至負的輸入電壓Uzko開關S現在在點燃開始之前閉合，使得形成電流路徑和由燈電感線圈L和諧振電容器Ck構成的諧振迴路。 在氣體放電燈點燃之後，開關還短時地維持在閉合的狀態中，以便將較高的、通過諧振提高 (Resonanzu berhohung )產生的接收電壓施加到氣體放電燈上。在此將氣體放電燈的
如下階段稱作接收，其中緊接著在燈燃燒器中的電擊穿之後燃燒電壓還非常低並且電極還非常冷。由於在接收階段中的冷電極，氣體放電燈需要非常高的電壓，以便在下一電流換向時不熄滅。當接收階段結束並且氣體放電燈的電極具有足夠高的電壓時，開關S斷開，並且電流路徑由此切斷。這同樣切斷諧振電路，因此不再生成電壓加強，並且降壓的半橋110可以將輸入電壓Uai直接降低至燈電壓。開關在整個起動(即其中氣體放電燈還未以其標稱功率工作的時間)期間保持斷開。開關S在其中燈以其標稱功率工作的額定工作點中也斷開，並且在燈熄滅之後才為了點燃氣體放電燈而再次閉合。根據本發明的驅動設備特別適於驅動無汞高壓放電燈，因為其相對於現有技術提供重要優點 半橋的開關頻率可以自由選擇，因為在連續模式中硬開關。這是相對於通常的帶間隙工作方式的重要優點，在帶間隙工作方式中頻率不能自由選擇，因為頻率從ZCS條件(零電流開關)得出。由此，藉助拓撲結構而簡單地可能的是，藉助確定的調製度和所希望的頻率將較高的頻率調製到低頻的矩形電流上。該調製在用於弧校直 (Bogenbegradigung)的無汞高壓放電燈的情況下使用。 無汞高壓放電燈具有從大約40V至90V的小的燃燒電壓。相應地高的是電流。 因此，該拓撲結構是有利的，因為在低伏特MOSFET中比在根據現有技術的開關拓撲結構中出現更少的損耗。在無汞高壓放電燈的小的燃燒電壓的情況下，作為功率因數校正電路工作的第一級實施為純粹的降壓器(降壓轉換器)。由此，並不必需能夠升壓並且降壓(降壓-升壓) 的電路拓撲結構，這在電路布置和在損耗功率方面帶來優點。通過根據本發明的驅動設備可以省去用於驅動氣體放電燈的完整的級，並且成本由此顯著降低。通過降壓半橋以連續模式工作並且濾波電容器可以非常小，節省了用於附加的點燃級的部件成本。
權利要求
1.一種用於氣體放電燈的電子驅動裝置，其具有-直流電壓轉換器，該直流電壓轉換器具有功率因數校正電路，-逆變器，該逆變器具有燈電感線圈以及全橋，該全橋具有兩個能夠獨立激勵的半橋，其特徵在於，-直流電壓轉換器附加地具有降壓功能，以及-逆變器附加地具有如下功能-燈電流調節，-將電壓降低至燈電壓的功能，以及-諧振點燃。
2.根據權利要求1所述的電子驅動裝置，其特徵在於，直流電壓轉換器設計為用於將輸入電壓降低至160V-250V的中間電路電壓。
3.根據權利要求1或2所述的電子驅動裝置，其特徵在於，燈電流調節在逆變器中進行為使得承擔降低功能的半橋以無間隙工作方式工作，使得紋波電流在燈電感線圈中小並且燈中的聲學諧振被避免，其中燈電流的瞬時值基本上對應於燈電感線圈中的電流的瞬時值。
4.根據權利要求1、2或者3所述的電子驅動裝置，其特徵在於，逆變器具有燈電感線圈和諧振電容器(Cp CK)，其中該諧振電感線圈實施為自耦變壓器，該自耦變壓器的中間抽頭與諧振電容器連接。
5.根據權利要求4所述的電子驅動裝置，其特徵在於，通過諧振電容器的電流流動能夠藉助與諧振電容器連接的開關(S)關斷，其中開關在燈的點燃和接收期間接通，並且此後在燈的高燃燒以及在燈的額定工作狀態中關斷。
6.根據權利要求1至3之一所述的電子驅動裝置，其特徵在於，在直流電壓轉換器與逆變器之間設置有在工作期間引導電壓紋波的中間電壓電容器，其中逆變器所產生的交變電壓與電壓紋波同步。
7.根據權利要求4所述的電子驅動裝置，其特徵在於，逆變器與電壓紋波的頻率同步， 使得交變電壓始終在電壓紋波的最大值的範圍中換向。
8.根據權利要求4或5所述的電子驅動裝置，其特徵在於，燈電流是矩形的，並且燈電流的水平匹配為使得瞬時的燈功率在燈電流的正象限中與在燈電流的負象限中等大。
9.根據權利要求4或5所述的電子驅動裝置，其特徵在於，燈電流的佔空比設置為使得平均的燈功率在燈電流的正象限中與在燈電流的負象限中等大。
10.根據上述權利要求之一所述的電子驅動裝置，其特徵在於，全橋劃分為兩個半橋， 其中在氣體放電燈工作期間第一半橋藉助高頻的脈寬調製的電壓來激勵，並且第二半橋藉助低頻的矩形電壓來激勵。
11.根據權利要求8所述的電子驅動裝置，其特徵在於，在燈起動時兩個半橋都藉助高頻電壓來激勵。
全文摘要
本發明涉及一種用於氣體放電燈的電子驅動裝置，其具有直流電壓轉換器，該轉換器具有功率因數校正電路；逆變器，該逆變器具有燈電感線圈和帶有兩個可獨立激勵的半橋的全橋，其中直流電壓轉換器附加地具有降壓功能，並且逆變器附加地具有如下功能燈電流調節、降至燈電壓的降壓功能和諧振點燃。
文檔編號H05B41/292GK102326454SQ201080008424
公開日2012年1月18日 申請日期2010年1月29日 優先權日2009年2月20日
發明者約阿希姆·米爾施勒格爾 申請人:奧斯蘭姆有限公司