用於操作hid放電燈的電路結構的製作方法

2023-05-28 21:31:21

專利名稱：用於操作hid放電燈的電路結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於操作氣體放電燈尤其是高壓氣體放電燈的電路結構，該電路結構 被用在相應的氣體放電燈的電子鎮流器中。高壓氣體放電燈與低壓氣體放電燈的區別尤其 在於，它需要較高的點亮電壓點亮電壓並且其色溫隨當時輸入的燈功率而變。後一種性能 造成高壓氣體放電燈很難調光或無法調光。相反，為了獲得高壓氣體放電燈的色溫，必須通 過相應的調節來恆定保持供給各燈的能量。高壓氣體放電燈的電子鎮流器據此一方面必須 產生高的點亮電壓，另一方面，提供保持供給燈的功率恆定的可能性。
背景技術：
已知的用於高壓氣體放電燈的電子鎮流器依據包括四個可控電子開關的全橋電 路。以下將結合圖4來說明原理，其中圖4所示的電路例如從W0-A-86/04752中知曉。如上所述，為了控制氣體放電燈EL尤其是高壓氣體放電燈，該已知電路包括具有 四個可控開關S1-S4的全橋，這些開關按照上述文獻尤其由雙極電晶體構成雙極電晶體。 在該全橋的電橋支路中，接有一個由一個線圈Ll和一個電容Cl構成的串聯諧振迴路，其中 待控的氣體放電燈EL與電容Cl並聯布置。全橋將接受直流電壓U0。自振蕩二極體與所述 開關或者說電晶體S1-S4並聯，但為了簡明起見而在圖4中未示出自振蕩二極體。為了操 作氣體放電燈EL，在W0-A-86/04752中提出，在第一操作階段中接通可控開關S4並且斷開 可控開關S2和S3。此外，在該第一操作階段中，該可控開關Sl以較高的脈衝定時頻率被交 替通斷在開關Sl的接通期間內直流電流流過可控開關Si、線圈或者說扼流圈Li、氣體放電 燈EL和在該操作階段中總是接通的可控開關S4。通過斷開電晶體Si，電流流動被中斷並 且在線圈Ll中原先通過電流流動建立的磁能被轉換為電能，該電能提供反電壓，該反電壓 在下次開關Sl接通時刻之前都保持電流在相同方向上流過氣體放電燈EL，在這裡，存儲在 線圈Ll中的能量逐漸消失。通過重新接通開關Si，重新接通上述的電流迴路，從而上述的 過程重複。在可控開關S2和S3此時長期斷開而可控開關S4長期接通且可控開關Sl被高 頻交替通斷的第一操作階段中，電流總是在相同方向上流過氣體放電燈EL。這導致氣體放 電燈EL在其操作中閃爍較弱並且可能有較高的亮度。但在長期以直流電壓UO工作時，在 氣體放電燈EL的電極區內可能聚集了沉積，這是由總在相同方向上流動的電子流動造成 的。為了避免這種沉積，氣體放電燈EL被反覆低頻變極，從而在第二操作階段中，現在開關 或者說電晶體Si、S4被長期斷開而可控開關S3被長期接通。此外，在第二操作階段中，可 控開關S2被高頻交替通斷，從而原則上出現了與在上述第一操作階段中一樣的工作方式， 但在這裡，在第二操作階段中，流過氣體放電燈EL的電流是反向的。總之可以據此確定，圖4所示的全橋原則上以直流電壓UO工作，但是，通過在電 橋對角線S1-S4或者S2-S3之間低頻變極，即通過在上述兩個第一和第二操作階段之間的 低頻切換，給氣體放電燈EL和扼流圈Ll供應低頻交流電流，其頻率對應於變極頻率。在 這兩個操作階段中，可控開關Sl或者可控開關S2被高頻交替通斷。用以交替通斷可控開 關S或者S2的脈衝頻率和低許多的變極頻率之間的數值比應該選擇儘量大，例如可以等於1000 1。扼流圈或線圈Ll的尺寸越小，該比例越大。因為可控開關Sl或S2的高頻切換， 產生相應高頻的流過扼流圈Ll的電流。用於限制燈電流的扼流圈的尺寸因此可以設定為 比低頻電流將流過它時的尺寸。圖4所示的氣體放電燈EL的點亮藉助由扼流圈Ll和電容Cl構成的串聯諧振回 路來實現，其中為了點亮而需要以這樣的頻率操作該氣體放電燈EL，該頻率接近該串聯諧 振迴路的諧振頻率。如果是這樣的情況，則在氣體放電燈EL上出現電壓升高，其導致氣體 放電燈點亮。EP-A2-0740492公開了一種電路結構，用於點亮和操作氣體放電燈尤其是高壓氣 體放電燈。為了點亮或者說操作氣體放電燈，在此文獻中提出，在第一操作階段中藉助相應 控制電路互補地以較高頻率來控制該全橋的布置在電橋對角線中的可控開關Sl、S4或者 S2、S3，直到氣體放電燈點亮。隨後，控制電路切換到第二操作階段(正常操作階段)，在此 操作狀態中，控制電路以較低頻率互補地控制該全橋布線的可控開關S1-S4。另外，根據該 文獻，採用了一個調整機構，它在輸出側如此通過電容與該全橋耦合，即該全橋與電容並聯 布置。該調整機構另外用於全橋的電壓供應並且尤其是調整供給氣體放電燈的功率。為此， 測量施加在調整機構的輸出端子上的電壓以及瞬間流動的電流，使相應的值相乘並且將得 到的實際值作為燈功率的實際值供給該調整機構。上述的控制電路與該調整機構連接並且 規定了調整機構輸出功率的額定值，在這裡，該控制電路尤其是在上述第一操作階段(起 動操作階段)中提高額定值，從而能給全橋的調整機構供應較高的輸出功率。氣體放電燈 的點亮可以通過點亮裝置來實現，該點亮裝置與設在電橋支路中的電感Ll耦合。或者，該 氣體放電燈可以通過採用圖4所示的且與氣體放電燈EL並聯的電容Cl來點亮，該電容與 該電感Ll構成一個串聯諧振迴路。另一個用於點亮和操作氣體放電燈尤其是金屬滷素高壓氣體放電燈的電路結構 由GB-A-2319677公開並且如圖5所示。該電路結構也包括四個布線連成一個全橋的可控 開關S1-S4，它們可以由雙極電晶體或者場效電晶體構成。在該全橋電路的電橋支路中有一 個氣體放電燈EL以及由一個電感Ll和一個電容Cl構成的串聯諧振迴路。為了起動即點 亮該氣體放電燈EL，該全橋藉助相應的控制電路以較高頻率工作，該控制電路能通過相應 的電橋驅動器單獨控制獨立的可控開關S1-S4，該頻率可處於20-40kHz範圍。尤其是如此 選擇該高頻，即它接近由該電感Ll和電容Cl構成的該串聯諧振迴路的諧振頻率，從而氣體 放電燈EL在一定時間後點亮。氣體放電燈EL的點亮例如可以通過監測燈電流或通過監測 燈亮度來掌握。一旦發現氣體放電燈EL點亮，該全橋可以切換到尤其可以在50-200HZ的 低工作頻率，以便操作該燈。如圖5所示，由該文獻公開的電路結構還包括一個稱為點亮變 壓器或自耦變壓器的變壓器，其初級繞組L2與該串聯諧振迴路的電容Cl串聯布置，而次級 繞組與氣體放電燈EL串聯。具有電感L2和L3的該變壓器用於在出現流過電容Cl的電流 時(尤其是在施加高點亮頻率時就是這種情況)在次級線圈L3中產生增大的電壓，該增大 的電壓被施加到氣體放電燈EL。通過這種方式，氣體放電燈EL的點亮和操作可被簡化。圖5所示的電路結構採用了自耦變壓器，該變壓器的初級繞組L2與串聯諧振迴路 電容Cl串聯且其次級繞組L3與氣體放電燈EL串聯，但是，這樣的電路結構的缺點是，流過 全橋的波形電流也被增大並且相應地不利影響到燈電流。由EP-A2-0740492公開的且同樣 如上所述的電路結構確實實現了供給全橋的功率的調整或者說保持恆定，但是為此需要相對多的元件，因此該電路結構相對複雜和昂貴。DE19916879A1公開了一種用於操作高壓氣體放電燈(HID燈)的電路結構，如從該 申請的圖1-圖3所述。此時，多個可控開關Si、S2、S3和S4(見圖1)被如此脈衝定時，即 其中一個電橋對角線Si、S4或者S3、S2被交替起動。此時，每個電橋對角線由一個高頻脈 衝開關和一個低頻脈衝開關組成。此外，當在電橋支路中流動的電流iL2已經達到下換向點即最小值時，高頻脈衝 開關總又被接通。此外，DE19916878A1公開了，若電橋支路電流在規定時間後還未達到其最小值，則 除了高頻脈衝開關被斷開之外，一個起動的電橋對角線的低頻脈衝開關也被斷開。本發明現在基於附加斷開低頻脈衝開關的設想並且如此改進該原理，從而足以滿 足對現代電路技術的要求。

發明內容
根據本發明，上述任務將通過獨立權利要求的特徵來完成。從屬權利要求分別描 述本發明的優選有利的實施方式。根據第一方面，本發明提出一種用於操作氣體放電燈的電路結構，它具有全橋電 路，在該全橋電路上施加有直流電壓Uo並且包括四個可控開關S1-S4，氣體放電燈EL布置 在一個電橋支路中，該電橋支路將第一開關Sl和第二開關S2之間的節點連接到第三開關 S3和第四開關S4之間的節點，電路結構還具有控制電路1，該控制電路交替起動兩個電橋 對角線之一，這兩個電橋對角線各由高頻脈衝開關和低頻脈衝開關構成，其中該控制電路 總是在測量信號滿足再接通條件時接通一個電橋對角線的高頻脈衝開關，其中當用於高頻 脈衝開關的再接通條件尚未被滿足時，也在高頻脈衝開關斷開後的規定時間T2後斷開同 一電橋對角線的低頻脈衝開關圖2b，以便快速降低電橋支路電流，其中該低頻和/或高頻 脈衝開關的接通在時間上延遲地在高頻脈衝開關的再接通條件出現之後進行。根據本發明的另一個方面，提出一種用於操作氣體放電燈尤其是高壓氣體放電燈 的電路結構，它具有全橋電路，在該全橋電路上施加有直流電壓Uo並且包括四個可控開關 S1-S4，其中氣體放電燈EL布置在一個電橋支路中，該電橋支路將第一開關Sl和第二開關 S2之間的節點連接到第三開關S3和第四開關S4之間的節點，還具有控制電路，該控制電路 交替起動兩個電橋對角線之一，兩個電橋對角線各由一個高頻脈衝開關和一個低頻脈衝開 關構成，其中該控制電路1總是在一個測量信號滿足再接通條件時接通一個電橋對角線的 高頻脈衝開關，其中當至此尚未滿足用於高頻脈衝開關的再接通條件時，該控制電路還在 高頻脈衝開關斷開之後的規定時間T2後也斷開同一電橋對角線的低頻脈衝開關，以便可 以快速降低該電橋支路電流。該低頻脈衝開關的附加斷開時刻和/或隨後的接通時刻可以外部調節和/或通過 控制電路自適應調節，即根據事件來調節。低頻和/或高頻脈衝開關的接通時刻可以尤其是在這樣的時段內，該時段的起點 是進入高頻脈衝開關的再接通條件。該時段可以優選是高頻脈衝開關的再接通條件出現後至遲3 μ S、優選是 300nS-2. 5 μ S 結束。
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當燈電壓或輸出電壓在規定閾值下時，低頻脈衝開關的接通時刻可以在高頻脈衝 開關接通後。本發明還涉及氣體放電燈操作方法，該氣體放電燈具有全橋電路，在該全橋電路 上施加有直流電壓(Uo)並且包括四個可控開關(S1-S4)，一個氣體放電燈(EL)布置在一 個電橋支路中，它將第一開關(Si)和第二開關(S2)之間的節點連接到第三開關(S3)和第 四開關(S4)之間的節點，其中這兩個電橋對角線之一被交替起動，兩個電橋對角線各由一 個高頻脈衝開關和一個低頻脈衝開關組成，當一個測量信號滿足再接通條件時，一個電橋 對角線的高頻脈衝開關總是被接通，並且當至此尚未滿足用於高頻脈衝開關的再接通條件 時，同一電橋對角線的低頻脈衝開關在高頻脈衝開關斷開之後的規定時間(T2)後也被斷 開，以便可以快速降低該電橋支路電流，低頻和/或高頻脈衝開關的接通在時間上(有意識 延遲)在高頻脈衝開關的再接通條件出現之後進行。本發明此外涉及氣體放電燈操作方法，該氣體放電燈具有全橋電路，在該全橋電 路上施加有直流電壓(Uo)並且包括四個可控開關(S1-S4)，一個氣體放電燈(EL)布置在一 個電橋支路中，它將第一開關(Si)和第二開關(S2)之間的節點連接到第三開關(S3)和第 四開關(S4)之間的節點，其中這兩個電橋對角線之一被交替起動，兩個電橋對角線各由一 個高頻脈衝開關和一個低頻脈衝開關組成，該控制電路(1)總是在一個測量信號滿足再接 通條件時接通一個電橋對角線的高頻脈衝開關，並且當至此尚未滿足用於高頻脈衝開關的 再接通條件時，同一電橋對角線的低頻脈衝開關在高頻脈衝開關斷開之後的規定時間(T2) 後也被斷開(圖2b)，以便可快速降低該電橋支路電流，該低頻脈衝開關的附加斷開時刻和 /或隨後的接通時刻可以外部調節和/或通過控制電路自適應調節，即根據事件來調節。最後，本發明還涉及一種控制單元，尤其是集成電路如ASIC或者微控制器，其設 計用於執行上述權利要求之一的方法。


以下將結合優選實施例並參照附圖來詳細說明本發明。圖1表示根據本發明一個優選實施例的本發明電路結構的電路圖。圖2a表示第一曲線圖，其表示圖1所示電路結構中的隨時間變化的電壓和電流曲線。圖2b表示第二曲線圖，它表示圖1所示電路結構中的、對應改進方式的開關狀態 和電流隨時間變化曲線。圖3表示電子鎮流器，其中採用了圖1所示的電路結構。圖4表示按照現有技術的電路結構。圖5表示按照現有技術的另一個電路結構。圖6表示用於說明本發明的示意電路圖。圖7表示可能在根據圖6的電路中出現的信號曲線。圖8表示在採用本發明時的信號曲線。圖9表示根據本發明另一個優選實施例的本發明電路結構的電路圖。
具體實施例方式圖1所示的電路結構包括多個可控開關S1-S4，它們布線連成一個全橋。在該全橋
7上施加有直流電壓Uo，其源於採用了該電路結構的相應電子鎮流器的合適的直流電壓源。 與可控開關S1-S4並聯地分別設有自振蕩二極體，其中為簡明起見，在圖1中只示出了與可 控開關Sl並聯的自振蕩二極體Dl。優選採用場效電晶體作為可控開關S1-S4，其已經包括 自振蕩二極體。在圖1所示全橋的電橋支路中設有一個待控的氣體放電燈EL，尤其是高壓 氣體放電燈。圖1所示的電路結構尤其是適用於操作金屬滷素高壓氣體放電燈，其需要很 高的點亮電壓。如上所述，高壓氣體放電燈與低壓氣體放電燈的區別尤其是其需要較高的 點亮電壓並且在其較小的燈體內出現較高的壓力。此外，高壓氣體放電燈具有較高的亮度， 但是，各高壓氣體放電燈的色溫隨輸入的功率而變。高壓氣體放電燈的電子鎮流器因此一方面應提供高的點亮電壓，另一方面，實現 輸入功率的恆定保持。一個串聯諧振迴路與圖1所示的全橋的電橋支路耦合，該串聯諧振迴路包括一個 電感Ll和一個電容Cl，其中電容Cl作用在電感Ll的分接點並且通過另一個可控開關S5 與可控開關S4並聯。此外，設有一個斬波電路或濾波電路，其具有另一個電感L2和另一個 電容C2，其中這些元件如圖1所示地布線連接。此外，在全橋上連接一個用作電流測量電阻 或並聯電阻的電阻R1。上述的包括電感Ll和電容Cl的串聯諧振迴路與另一個電容C2組合地尤其用於 點亮氣體放電燈EL。為此，激勵串聯諧振迴路諧振，將對應於諧振頻率的頻率或者其多倍 (諧波)供給燈。諧振迴路的激勵通過交替接通可控開關S3和S4來實現。以下將對此詳 加說明。為了點亮氣體放電燈EL，兩個直接串聯的開關如可控開關Sl和S2藉助一個合適 的控制電路被斷開，與電容Cl串聯的可控開關S5被接通。全橋的另外兩個開關例如可控開 關S3、S4被交替通斷，其中這以較高頻率(大約150kHz)進行。開關頻率朝由電感Ll和電 容Cl構成的串聯諧振迴路的諧振頻率的方向緩慢降低諧振。氣體放電燈EL的點亮電壓一 般已經在達到諧振頻率之前達到。在此情況下，用於可控開關S3、S4的開關頻率被保持在 該頻率，直到燈EL點亮。在Ll右半側降低的電壓因由電感Ll實現的自耦變壓器原理而例 如按照比例1 2升壓變換到至與氣體放電燈EL耦合的左半側，其中在電感Ll左半側上 出現的電壓構成氣體放電燈EL的實際點亮電壓，該點亮電壓通過電容C2施加到燈上。為 了掌握氣體放電燈EL的點亮，測量在電感Ll分接點降低的電壓，該電壓同點亮電壓或者說 燈電壓成比例Uj L，因為其在燈EL點亮後衰減地作用在串聯諧振迴路。在完成氣體放電 燈EL的點亮後，可控開關S5斷開以便後續的正常工作。還要注意，對於本發明電路結構的功能能力來說，開關S5不一定是必需的。相反， 可控開關S5也可以在完成氣體放電燈EL的點亮後保持接通，或者原則上用一個相應的支 路代替。但是，藉助在氣體放電燈EL點亮後被斷開的開關S5，可以做到氣體放電燈EL的齊 整工作。此外要注意，尤其如此設計點亮線圈Li，S卩，它在以下還要具體說明的正常工作中 飽和工作，因此不影響電路其餘部分。這例如可以如此做到，即，作為點亮線圈Ll而採用帶 有鐵芯的線圈，鐵芯在正常工作中飽和運行，從而該線圈Ll在氣體放電燈EL點亮後在正常 工作中只構成可忽略不計的電感。因此在正常工作中，同樣設在電橋支路中的電感L2隻起 到限制電流作用。以下將詳細說明在氣體放電燈EL點亮後起動的正常工作，其中在正常工作中，本
8發明的電路結構或者說全橋按照所謂的非連續模式來操作。原則上，圖1所示的包括可控 開關S1-S4的全橋按照本身已知的方式在正常工作中運行，就是說，包括開關Sl和S4或者 S2和S3的這兩個電橋對角線被交替投入工作和解除工作，因此這兩個電橋對角線的相應 開關被相對交替或互補地通斷，此外，在起動包括開關Sl和S4的電橋對角線時，可控開關 Sl被高頻交替通斷，而在包括可控開關S2和S3的電橋對角線起動時，可控開關S2被相應 高頻交替通斷。就是說，該全橋以可尤其位於80-400HZ範圍的相對低頻來變極，而各自有 效的電橋對角線的可控開關Sl或S2此外被高頻例如以約90kHz頻率交替通斷。可控開關 Sl或S2的該高頻通斷藉助相應控制電路的高頻脈寬調製控制信號來實現，該信號藉助由 元件L2和C2構成的濾波電路或者斬波電路被濾波，從而在氣體放電燈EL上只有流過電橋 支路的支路電流iL2的線性平均值。藉助脈寬調製控制信號，供給全橋的功率可保持恆定， 這如上所述尤其對高壓氣體放電燈的操作是重要的。供給氣體放電燈EL的電流的低頻分 量將通過兩個電橋對角線的切換或變極，就是說，通過從Sl和S4切換到S2和S3來產生。 通過包括開關S3和S4的右側電橋支路，在此情況下將把燈EL低頻接到供電電壓Uo或大 地，從而在燈EL的接線端子基本上只有低頻分量。根據上述低頻非連續模式，各自起動的電橋對角線的可控開關Sl或S2總在流過 電感L2的支路電流iL2已達到其最小值時被接通。在此，「最小值」是指電流iL2的下換向 點，其中該最小值也一定可處於少許負的電流值區域內。在觀察電流曲線時將基於以下出發點，即，首先，包括可控開關S2和S3的電橋對 角線被起動，而包括可控開關Sl和S4的電橋對角線未被起動。即，可控開關S2和S3接通， 而可空開關Sl和S4斷開。在可控開關S2和S3的接通時刻，電流iL2開始流過電感L2， 電流根據指數函數增大，在這裡，在所關注的區域內可以看到近似線性的電流A2的增大， 從而為簡明起見，以下將提到電流iL2的線性增大或降低。開關S2的斷開造成電流iL2中 斷，其中，如上所述，可控開關S2尤其與開關S3的開關狀態無關地被高頻交替通斷。開關 S2的斷開造成電流iL2確實先繼續在相同方向上流經斷開的開關Sl的自振蕩二極體D1， 但是連續減小，甚至最終能達到負值。在自振蕩二極體Dl的阻擋層的電子耗盡之前，尤其就一直是這種情況。監測達到 電流iL2的下換向點並且在識別出該下換向點之後再接通可控開關S2，從而電流又增大。 就是說，開關S2的高頻接通總是在已經達到電流iL2的下換向點時進行。開關S2的斷開 原則上可以任意選擇，在這裡，開關的斷開時刻對氣體放電燈EL的功率供應很重要，因而 可以通過適當調節斷開時刻來控制或者說恆定保持供給燈的功率。作為接通準則，為此可 以考慮例如支路電流iL2的時間或最大值。通過各自高頻交替通斷的可控開關Sl或S2總 是在電流iL2的下換向點即在零電流值附近又被接通的措施，相應的場效電晶體Sl或S2 得到保護，即防損保護，並且可以採用場效電晶體作為開關Sl或者S2，其對於相應的自振 蕩二極體具有比較長的耗盡時間。以下將對此詳加說明。在開關S2接通前，加於開關上的電壓在這裡約為400伏特。如果開關S2被接通， 則該電壓崩潰，即它很快地從400伏特降低至0伏特。但是場效電晶體的特性是，在相應電 壓降低至0伏特之前，電流在相應的場效電晶體起動時已開始流動。在針對場效電晶體而 流動的電流增大和達到0伏電壓之間的這個短暫時間段內，由電流和電壓的乘積構成被供 給各自的場效電晶體的功率，該功率會損壞場效電晶體。因此優選的是，在儘量少的電流流動時，尤其在零電流值附近接通場效電晶體。還要注意，當開關Sl斷開且開關S2也還是斷開時，流經電感L2的電流iL2流過 自振蕩二極體Dl。如果開關S2被接通且開關Sl被斷開，則經過一段時間後，來自振蕩二極 管Dl的阻擋層的電子才會耗盡。在此期間內，場效電晶體Sl實際處於導通狀態。這意味 著場效電晶體S2在對應於場效電晶體Sl的自振蕩二極體Dl的阻擋層耗盡之前在相對短 的時間內處於約400伏特的全工作電壓Uo，由此同樣會出現上述場效電晶體S2的過載，甚 至損壞。因為以上提出的做法，即開關S2總是在流過電感L2的電流iL2已達到其最小值 時接通，以上結合開關或者場效電晶體Sl的耗盡時間所說明的效果幾乎不引人注意，因而 針對開關S1-S4也可以採用場效電晶體，其對於與之連接的自振蕩二極體有相對長的耗盡 時間。確實已經存在耗盡時間很短的開關元件，例如所謂的IGBT(絕緣柵雙極電晶體)，但 是，這些元件很昂貴。因此，藉助本發明，可以放棄採用這種昂貴的元件。對於上述做法來說必需的是，電流iL2的瞬間值以及達到其換向點的時刻是已知 的。電流iL2的瞬間值例如可以通過測量在電阻Rl上降低的電壓來確定。電流iL2 的下換向點優選通過如變壓器那樣在線圈L2上分接出的電壓來確定。為此，一個(圖1未 示出)繞組或線圈如變壓那樣與線圈L2耦合，該線圈L2導致流過線圈L2的電流iL2的區 分並進而可說明電流iL2的換向點。下換向點也可以通過其它反饋信號例如在開關Sl和S2的連接點上的中點電壓來 間接測定。有意義的是，電橋支路電流的下限最小值的時刻是可測定的。而對該電流的定 量說明對於確定高頻脈衝開關的接通時刻不是必需的。以下將結合圖2所示的曲線圖來描述圖1所示電路結構的正常工作，其中圖2與 時間相關地表示在開關Sl、S2之間節點上施加的電壓Ui、燈電壓uEL和流過線圈L2的電流 iL2的變化曲線。圖2尤其示出這樣的情況，S卩，在圖1所示的電路結構的第一時間段Tl， 包括開關S2和S3的電橋對角線被起動，而在隨後的時間段T2內，包括開關Sl和S4的電 橋對角線被起動。即，在時間段Tl內，開關S3是常閉而開關Sl和S4是常開。而且在時間 段Tl中，開關S2被高頻通斷。圖2尤其示出了開關S2總是在流經線圈L2的電流iL2已到 達其下換向點即其最小值時被接通，從而出現電壓Ul的脈衝狀變化曲線。電流iL2的邊緣 陡度由線圈L2的電感來確定。通過改變電流iL2的峰值，即改變開關S2的斷開時刻，可改 變電流iL2的電流平均值，進而調整或者說恆定保持供給燈EL的功率及其色溫。電流iL2 的高頻變化曲線將通過元件L2和C2被斬波，從而得到如圖2所示的斬波後的、施加在氣體 放電燈EL上的電壓uEL的變化曲線。在經過時間段Tl後，開關S2和S3長期斷開而開關S4長期接通。與時間段Tl內 的開關S2相似，開關Sl現在被高頻通斷，從而出現電壓Uj和uEL以及電流iL2的圖2所 示的變化曲線。如上所述，藉助一個控制電路在時間段Tl和T2內的工作階段中被反覆切 換，其中該變極頻率尤其可以位於80-400HZ範圍內，而開關S2的高頻脈衝頻率(在時間段 TA內)或者開關Sl的高頻脈衝頻率(在時間段T2內)可以位於90kHz左右。在電橋對角線S1-S4和S2-S3之間的低頻切換或變極必然造成交流噪音，該交流 噪音因低頻而聲音相對輕而不擾人。但是，在時間段Tl和T2之間的切換時刻的陡峭邊緣 造成諧波，諧波本身有擾人作用。為此緣故，如此優選地設計控制開關S1-S4的控制電路，即，它減小在操作階段Tl和T2之間切換之前和之後的電流iL2的電流峰值。這可以例如 通過特殊軟體或通過特殊調整控制電路5的硬體做到，其減小該時間段Tl內的最後電流峰 值以及時間段T2內的第一電流峰值，以便通過這種方式在操作階段Tl和T2之間切換時平 滑邊緣。在此情況下出現圖2虛線所示的電流iL2或燈電壓uEL的變化曲線。從該虛線圖 中看到，在切換時刻之前和之後，電流峰值相對初始曲線略微降低，因此實現燈電壓uEL略 微柔和的過渡。上述控制中，在高頻接通的開關斷開後，在恰好有效的電橋對角線的第二開關還 保持接通時，電流繼續流經自振蕩二極體，同時相對緩慢地減小。這造成較小的電流峰值， 也相應導致較小的損耗功率。可是會出現以下情況，即，在自振蕩二極體的阻擋層的電子此 時耗盡且因此達到電流iL2的下換向點的時刻，電流降低得還不夠，因而開關在接通時還 總是遇到高負荷。為了消除該負荷，可在一個改進方案中依據圖2b的曲線控制開關。該曲線圖表示時間段Tl內的第二和第三開關2、3的電流曲線iL2和狀態。另兩 個開關在該時間段Tl內斷開。在第一階段[tau]l，兩個開關接通，電流iL2連續增大。像 在上述控制中一樣，在其開始可由達到iL2的最大值或規定時間[tau]l確定的第二階段 [tau]2中，第二開關S2斷開，iL2緩慢減小。但是，現在從第二開關S2斷開後的規定時刻 起，在第三階段x3中還斷開第三開關S3。電流現在流經第一和第四開關的兩個自振蕩二極 管且現在比在第二階段[tau]2中減少更多。為此能保證iL2實際也能在自振蕩二極體的 阻擋層耗盡前達到負值。若電流iL2達到下換向點，則兩個開關又被接通，控制又處於第一 階段[tau]l的狀態。不過如果電流iL2原先已降到0，則省掉第三開關S3的斷開，即第三 階段x3，因為此時在斷開的開關中沒有出現高負荷。相反，接著進行第一階段[tau]l且第 二開關S2又被斷開。兩個電橋對角線之間的低頻切換與之前的實施例相似地進行，在此還 優選地可在操作階段Tl和T2之間切換之前或之後減小電流iL2的電流峰值。高壓氣體放電燈的已知性能是，其在完全變熱之前具有相對差的可控不穩定性 能。完全變熱此時大致在1-2分鐘後出現。在預熱階段，燈上的電壓可小於正常工作時的 電壓。如果在預熱階段如在上述正常工作中那樣操作鎮流器，則減小的燈電壓造成這樣的 後果，即，，具有相應較小的陡度diL2/dt的電流ixi流過電感L2，從而有可能不能藉助先前 提到的如變壓器那樣的分接可靠地檢測iL2的換向點。因此優選的是，在預熱階段中，即在 點亮後且在真正的正常工作前，開關S3和S4也類似於開關Sl和S2被高頻脈衝定時，其中 在電橋對角線S1、S4和S2、S3之間進行低頻切換，即在兩個狀態之間進行低頻切換，在第一 狀態，開關Si、S4被高頻脈衝定時且開關S2和S3斷開，在第二狀態中，開關S2、S3被高頻 脈衝定時且開關Sl和S4斷開。通過該措施實現的是，電流也通過開關S4、Sl的自振蕩二 極管流過線圈L2，由此，在如變壓器那樣與該線圈L2耦合的且圖1未示出的設置用於測定 電流iL2的換向點的繞組中，產生較高的電壓，從而可以可靠掌握或監測電流iL2。尤其是 可以準確監測切換時刻。從預熱階段切換至正常工作是在達到燈的工作溫度後，例如在燈 電壓超過閾值(約45V)後進行，在此優選在實際切換之前還等候一定時間。圖3表示圖1所示的本發明電路結構被用在用於操作氣體放電燈尤其是高壓氣體 放電燈的電子鎮流器中。電子鎮流器在輸入側具有去無線電幹擾濾波器，其具有對稱變壓器L4、L5及電容 C3和C4，它們連接到供電電壓網的火線L、零線和地線。一個整流器與去無線電幹擾濾波器連接，整流器包括二極體D5-D8。一電路與該整流器相連，該電路作為升壓變壓器並包括電 阻R2-R6、電容C5和C6、二極體D9、變壓器L6、L7、場效電晶體S6和由供電電壓VCC供電的 集成控制電路4，其尤其藉助依據在電阻R3上分接的電壓的脈寬調製信號來控制作為開關 的場效電晶體S6。通過這種方式將實現的是，電晶體S6導通的時間在一個電網半波期間內 被如此控制，即，所接收的電流的包絡曲線基本是正弦形。該輸出電壓將藉助二極體D9被 整流並藉助電容C6被濾波，從而給設置用來操作氣體放電燈EL的電路結構提供已結合圖 1說明的供電直流電壓Uo。在輸出側，圖3所示的電子鎮流器包括圖1所示的電路結構，相 應的元件帶有相同的附圖標記，因此可放棄重複說明這些零部件。但要補充說明，圖3還示 出已描述的繞組L3，該繞組通過變壓器與位於全橋電橋支路的電感L2耦合併用於檢測電 流iL2的換向點(見圖1)。此外，圖3示出一個中央控制電路1，其由供電電壓VDD供電且一方面藉助線圈L3 測量電流iL2的換向點以及藉助在電阻Rl上分接出的電壓測定電流iL2的瞬間大小。而 且，尤其可以設計成專用集成電路(ASIC)形式的控制電路1監測加在串聯諧振迴路線圈Ll 的分接點上的電壓，藉助該電壓，可以測定氣體放電燈EL的點亮。控制電路1的輸出與電 橋驅動器2、3耦合，電橋驅動器各自用於控制場效電晶體Sl和S2或者S3和S4。同樣作為 開關的且與諧振迴路電容Cl串聯的場效電晶體S5將直接由控制電路1控制。圖6示出了本發明的另一個實施例。如所知的那樣，本發明的前提是，在包括四個 開關(在圖6中現在稱為A、B、C和D)的全橋電路中，其中一個電橋對角線A、B或者C、D 可被交替起動，其做法是，各有其中一個開關A、B或者C、D被高頻脈衝定時，同一電橋對角 線中的另一個開關被低頻脈衝定時。儘管在圖1和圖5的實施例中舉例說明了此時開關Sl和S3被高頻脈衝定時，但 現在參照圖6舉例說明，開關A、C被分別高頻脈衝定時，而開關B、D被分別低頻脈衝定時。尤其是對於被高頻脈衝定時的開關(在此是A、C)，近年來採用具有快速的體二極 管的場效電晶體(FET)，即耗盡時間短的體二極體。出於成本考慮，在低頻側(在圖6的例 子中是開關B、D)採用普通場效電晶體，即它們不具有耗盡時間短的二極體。可是，也可以 在低頻側設置具有耗盡時間短的體二極體的場效電晶體。在此可出現以下過程在階段1，開關A以及開關B均被接通，在此前提是，在這個例子中，正好是電橋對 角線A、B被起動。S卩，如圖6所示，電流從供應電壓Vbus經開關A流過包括燈的負載迴路， 隨後經過接通的開關B流向大地。此時，流過包括燈的電橋支路的電流連續增大，直到達到 高頻脈衝開關A的斷開條件。在達到斷開條件後，開關A被斷開，而低頻脈衝開關B還是接 通的。此時在階段2中出現電流流動，就是說在階段2中，線圈L驅動電流繼續流過燈和還 是接通的開關B。該電流連續減小，直到達到其下換向點，在這裡，隨後通常在達到電橋電流 的換向點時再接通開關A，該過程以階段1又開始。而當再經過規定時刻後電流在階段2中還未降低到其最小值時，根據本發明，除 了斷開開關A外，還斷開開關B，從而出現根據階段3的電流曲線。在此階段中，電流從現 在起流過開關C和D的體二極體，因此加速降低至其最小值。該階段3從現在起持續這樣 長的時間，直到開關C、D的體二極體耗盡。但是，此時可能出現以下問題，即，高頻側(開關 A、C)的體二極體的耗盡時間短於開關B、D即低頻脈衝支路的開關的體二極體的耗盡時間。
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在此情況下，就是說，在高頻脈衝支路中的中點電壓Ux比低頻脈衝支路中的中點 電壓Uy更快速地變換。這可能引起以下問題，即，在高頻脈衝開關側，用於各自起動的高頻 脈衝開關的再接通條件已達到且開關被接通，而在低頻脈衝的電橋支路上的體二極體尚未 完全耗盡。因而在現有技術中出現所謂的低頻脈衝側的電晶體的硬接通，因為根據現有技 術，在低頻脈衝側的附加斷開的開關的再接通是與同一被起動的電橋對角線的高頻脈衝開 關的再接通同時進行的。硬接通此時是指該工作的電橋對角線的低頻脈衝開關的接通沒有 無功率地進行。本發明現在著手該問題並提出一種如何能防止該硬接通的技術。根據本發明，現在尤其是在高頻脈衝開關的再接通條件的出現後延遲電橋對角線 的附加斷開的低頻脈衝開關的再接通。在利用識別再接通條件的控制單元的接通過程的觸發和實際物理接通過程即開 關載流之間，存在電路固有的延遲，該延遲例如由驅動電路造成並且一般可以在0. 1 μ s至 Iys的數量級之間。根據本發明，控制單元在出現再接通條件後有目的地等候一個規定的尤其是編程 的時間，隨後它通過發出接通信號來觸發接通過程，在此，真正的開關接通於是如上所述以 另一段延時出現。接通信號因此是在經過延遲時間之後才出現在控制單元的輸出上。這個規定時間被「存儲」在控制單元本身中，因此不是外來延遲效果的產物，外來 延遲效果因不同裝備而無法確定計算。當然優選的是，工作的電橋對角線的高頻脈衝開關以及低頻脈衝開關(如果已斷 開，以便如上所述快速降低電流)的再接通觸發通過控制單元在高頻脈衝開關的再接通條 件出現之後被延遲。如果再接通條件是達到電橋支路電流的最小值(這可通過監測電橋支路電流或 與之相關的參數來進行)，則工作的電橋對角線的高頻脈衝開關以及附加斷開的低頻脈衝 開關的再接通將移至這樣一個時間段，該時間段在時間上在達到電橋支路電流的換向點 (最小值)之後。也可以有其它再接通條件，例如在一個半橋的兩個開關的連接點上的中點電壓的 增大超過規定閾值。這在圖8中被示意示出，在此能看到，已經達到接通條件，但控制單元延遲以例如 0.5ys時間觸發開關Α、Β的同步接通(對於電橋對角線Α、Β工作的情況)。接通過程觸發 的延遲保證了中點電壓Ux或Uy (見圖6)在兩個開關A、B或C、D實際接通時處於同一電 位。為此不會出現低頻脈衝開關的硬接通。為了實現該無功率接通，延遲時間值可被調節為例如300ns至2. 5 μ s，但優選小 於 1 μ S。當低頻脈衝開關側的燈電壓、輸出電壓或者其它在輸出迴路中被監測的電壓例如 中點電壓(在開關B和D被低頻脈衝定時時，就是中點電壓Uy)小於規定的閾值時，低頻脈 衝開關的接通時刻可以在高頻脈衝開關接通之後。因為為了識別再接通條件也監測中點電 壓Ux，所以可以簡單地通過監測中點電壓Uy來確定。除了低頻脈衝開關的再接通時刻之外，根據本發明，還可以調節低頻脈衝開關的 斷開時刻(即圖6中從階段2至階段3的過渡)。
控制單元可以從外界例如依據所用電晶體的類型來規定再接通觸發的延遲時間 的調節和低頻脈衝開關斷開時刻的調節。尤其是低頻脈衝開關的接通在進入高頻脈衝開關 的再接通條件之後的延遲可以被編程。如通過對比圖1和圖9所看到的，在圖9中，開關S5被省略，可以說被長期短路。 由自耦變壓器Ll和電容Cl構成的串聯諧振迴路的電容Cl還以一端接地。為此，設置一個附加電容CN，它一方面與串聯諧振迴路的電感Ll和電容Cl之間的 連接點連接。另一方面，附加電容CN設置在開關Sl和S2之間的連接點或者斬波電路或濾 波電路的電感L2和電容C2之間的連接點上(其此外構成自己的串聯諧振迴路)。或者，可以如圖9的虛線所示，附加電容CN'還可以連接在串聯諧振迴路的電感 Ll和電容Cl之間的連接點和第三和第四開關S3、S4的連接點之間。可替代或補充上述電 容CN'設置的該附加電容CN'因此與自耦合變壓器Ll的圖7右側的支路並聯。而所述的 附加電容CN'與氣體放電燈EL和自耦變壓器Ll的左側支路並聯，點亮電壓在左側支路中 變換。
權利要求
一種用於操作氣體放電燈的電路結構，該電路結構包括全橋電路，該全橋電路上施加有直流電壓(Uo)並且包括四個可控開關(S1 S4)，所述氣體放電燈(EL)布置在一個電橋支路中，該電橋支路將第一開關(S1)和第二開關(S2)之間的節點連接到第三開關(S3)和第四開關(S4)之間的節點，該電路結構還包括控制電路(1)，該控制電路交替起動兩個電橋對角線之一，所述兩個電橋對角線各由高頻脈衝開關和低頻脈衝開關組成，其中該控制電路(1)總是在測量信號滿足再接通條件時觸發電橋對角線的高頻脈衝開關的接通，其特徵是，該控制電路(1)在用於所述高頻脈衝開關的再接通條件出現之後在由所述控制電路規定的延遲時間之後觸發所述低頻脈衝開關和/或所述高頻脈衝開關的接通。
2.根據權利要求1所述的電路結構，其中，所述延遲時間最大為3μ s，優選為300ns至 2. 5 μ S。
3.一種用於操作氣體放電燈的電路結構，該電路結構包括全橋電路，該全橋電路上施 加有直流電壓(Uo)並且包括四個可控開關(S1-S4)，所述氣體放電燈(EL)布置在一個電橋 支路中，該電橋支路將第一開關(Si)和第二開關(S2)之間的節點連接到第三開關(S3)和 第四開關(S4)之間的節點上，所述電路結構還包括控制電路(1)，該控制電路交替起動兩 個電橋對角線之一，所述兩個電橋對角線各由高頻脈衝開關和低頻脈衝開關構成，其中該 控制電路(1)總是在測量信號滿足再接通條件時接通一個電橋對角線的高頻脈衝開關，該 控制電路(1)還在當用於所述高頻脈衝開關的再接通條件至此尚未被滿足時在所述高頻 脈衝開關斷開之後在規定的時間(Τ2)之後斷開同一電橋對角線的所述低頻脈衝開關(圖 2b)，以便快速降低電橋支路電流，其特徵是，控制單元根據外部規定條件調節所述低頻脈 衝開關和/或所述高頻脈衝開關的附加斷開時刻和/或隨後的接通時刻和/或該時刻通過 所述控制電路(1)來自適應調節，即依據規定事件來調節。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的電路結構，其中，只有當供給控制單元的燈電壓 或輸出電壓小於規定的閾值時，根據所述高頻脈衝開關的再接通條件的所述低頻脈衝開關 的接通觸發時刻才被延遲。
5.一種氣體放電燈操作方法，該氣體放電燈包括全橋電路，該全橋電路上施加有直流 電壓(Uo)並且包括四個可控開關(S1-S4)，氣體放電燈(EL)布置在一個電橋支路中，該 電橋支路將第一開關(Si)和第二開關(S2)之間的節點連接到第三開關(S3)和第四開關 (S4)之間的節點上，並且兩個電橋對角線之一被交替起動，所述兩個電橋對角線各由高頻 脈衝開關和低頻脈衝開關組成，一個電橋對角線的所述高頻脈衝開關總是在測量信號滿足 了再接通條件時被接通，其特徵是，所述低頻脈衝開關和/或所述高頻脈衝開關的接通觸 發只有在用於高頻脈衝開關的再接通條件出現之後在規定的延遲時間後進行。
6.一種氣體放電燈操作方法，該氣體放電燈包括全橋電路，該全橋電路上施加有直流 電壓(Uo)並且包括四個可控開關(S1-S4)，氣體放電燈(EL)布置在一個電橋支路中，該電 橋支路將節點第一開關(Si)和第二開關(S2)之間的節點連接到第三開關(S3)和第四開 關(S4)之間的節點上，其中兩個電橋對角線之一被交替起動，所述兩個電橋對角線各由高 頻脈衝開關和低頻脈衝開關組成，控制電路(1)總是在測量信號滿足再接通條件時接通一 個電橋對角線的所述高頻脈衝開關，並且同一電橋對角線的所述低頻脈衝開關還在所述高 頻脈衝開關的再接通條件至此尚未被滿足時在斷開所述高頻脈衝開關之後在規定的時間 (T2)後被斷開(圖2b)，以便快速降低電橋支路電流，其特徵是，所述低頻脈衝開關和/或所述高頻脈衝開關的附加斷開時刻和/或隨後的接通時刻通過外部規定條件來調節和/或 自適應調節，即根據事件來調節。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，只有當供給控制單元的燈電壓或輸出電壓低於 規定的閾值時，根據所述高頻脈衝開關的再接通條件的所述低頻脈衝開關的接通觸發時刻 才被延遲。
8.—種控制單元，尤其是集成電路且特別是ASIC，其設計用於執行根據權利要求5至 7中任一項所述的方法。
全文摘要
本發明涉及用於操作氣體放電燈的電路結構，該電路結構包括施加有直流電壓(Uo)並包括四個可控開關(S1-S4)的全橋電路，氣體放電燈(EL)布置在將第一開關(S1)和第二開關(S2)之間的節點連接到第三開關(S3)和第四開關(S4)之間的節點的電橋支路中，該電路結構還包括交替地起動兩個電橋對角線之一的控制電路(1)，電橋對角線各由高頻脈衝開關和低頻脈衝開關構成，該控制電路(1)總是在測量信號滿足再接通條件時才接通電橋對角線的高頻脈衝開關，該控制電路(1)還在當高頻脈衝開關的再接通條件至此尚未被滿足時在高頻脈衝開關斷開之後在規定時間(T2)之後斷開同一電橋對角線的低頻脈衝開關(圖2b)，以便快速降低電橋支路電流，其中該低頻和/或高頻脈衝開關的接通在時間上在高頻脈衝開關的再接通條件出現之後進行。
文檔編號H05B41/38GK101982020SQ200980110643
公開日2011年2月23日 申請日期2009年3月19日 優先權日2008年3月25日
發明者弗蘭克·霍恩, 愛德華多·佩雷拉, 麥可·齊默爾曼, 馬丁·胡貝爾 申請人:赤多尼科有限公司