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CN1679377A - 用于确定流过气体放电灯的电流的设备和方法 - Google Patents

用于确定流过气体放电灯的电流的设备和方法 Download PDF

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CN1679377A CNA038210975A CN03821097A CN1679377A CN 1679377 A CN1679377 A CN 1679377A CN A038210975 A CNA038210975 A CN A038210975A CN 03821097 A CN03821097 A CN 03821097A CN 1679377 A CN1679377 A CN 1679377A
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Abstract

本发明涉及一种用于操作气体放电灯的设备，包括用于向放电灯供给电源的开关型电源电路，所述开关型电源电路包括具有至少一条用于提供干线电压的干线的半桥或全桥换向正向变换器，第一开关元件，第二开关元件和所述开关元件之间的输出节点，以便向所述灯提供电流，并且包括电流确定电路，用于提供表示变换器电流的信号，其中所述电流确定电路包括第一电流感测电路，用于感测干线和所述输出节点之间的第一位置中的电流，并且包括第二电流感测电路，用于感测输出节点和地之间的第二位置的电流。本发明还涉及用于操作气体放电灯的方法和电子镇流器。

Description

用于确定流过气体放电灯的电流的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定流过气体放电灯的电流的设备和方法。本发明还涉及一种用于操作气体放电灯的电子镇流器。
背景技术
现今，功率控制设备或者镇流器广泛用于控制提供给诸如荧光灯之类的放电灯的功率。例如可以采用镇流器来使放电灯的预热和点火最佳化，为了保持所选定的光线强度或者为了将昏暗度保持为一个固定但是可调的放电灯的功率水平而保持放电灯的恒定功率。
现代电子镇流器包括开关型电源(switch-mode power supply，SMPS)，所述SMPS连接在电源电压(通常是市电电源)和所述放电灯之间。在三级镇流器电路中，第一级开关型电源包括预调节器，例如结合了上变换器的用于校正所述市电电源(230V，50Hz，1相)的双整流器。第二级可以包括下变换器(直流-直流变换器)，也称为正向或者降压变换器，用于稳定输出电流。第三级镇流器电路包括换向器桥和点火器，用于实现所述灯的方波电流操作。在两极镇流器布局中，下变换器和换向器桥由半桥换向正向(HBCF)或者全桥换向正向(FBCF)布局代替。
半桥换向正向(HBCF)电路对应于其中桥路的一部分由两个串联的(电解)电容器代替的全桥换向正向(FBCF)电路。所述布局中的镇流器包括与作为双下变换器的半桥电路相结合的上变换器。这种用于操作HID灯的两极镇流器布局相对简单并且相对便宜。
对提供给所述灯的功率的控制可以取决于各种灯参数的测量结果，诸如流过换向正向线圈元件(FBCF-线圈的HBCF-线圈)的实际电流。此变换器电流可以用作流过所述灯的实际电流的测量结果。HBCF/FBCF线圈电流或者变换器电流的测量结果可以以多种方式实现，但是每种方式都具有多种缺陷。
确定所述变换器电流的方法之一在于提供一种电流旁路，例如通过将感测电阻器与HBCF线圈串联连接。在感测电阻器两端的差动电压借助于差动放大器来测量。流过感测电阻器的电流以及由此产生的实际变换器电流、即，流过HBCF线圈的电流，可以根据感测电阻器的已知阻抗值来确定。然而，这个方法的缺点之一在于：需要高规格的运算放大器，也就是具有大的共模抑制比的运算放大器，由此造成镇流器的成本增加。此外，利用放大器测量的信号具有相对小的值，这是因为感测电阻器的阻抗值应该尽可能的小以便使插入感测电阻器导致的损失最小化。这些较小的值导致信噪比很差。
确定所述变换器电流的另一个方法在于使用电流变压器，例如通过将电流变压器的初级绕组与所述HBCF线圈串联连接。然后变压器的次级绕组提供与所述变换器电流成比例的信号。然而，这个方法的缺点之一在于不仅将要转送电流信号的高频分量而且将要转送电流信号的低频分量。为了保证电流信号的低频分量、即所述低频换向信号的转送，需要相对庞大的变压器。
此外，无法检测放电灯的不均衡电流操作。在放电灯的起始阶段和/或在寿命结束(EOL)期间，所述灯的性能可能不正常，由此会产生上述换向正向电路的不均衡的电灯负载。例如，所述灯可以在开关型电源的工作期的半周期中是导电的，而在另一半周期中可能是不导电的。在上述的全桥换向正向电路中，无法确定由此产生的直流分量。在上述半桥换向正向电路中，半桥的不均衡的负载导致桥电容器串联电路中的中点电压的偏移，即，位于第一以及第二桥电容器之间的接合点的电压将增加或减少。由于此电压漂移，可能超出所述桥电容器之一的最大额定电压，由此造成镇流器损坏。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种用于确定变换器电流的设备以及方法，并且提供一种消除上述缺点的电子镇流器。
依照本发明的第一方面，此目的依照这样一种设备来实现，其中所述设备通过换向正向变换器来确定提供给放电灯的电流，其中可以将变换器与干线相连以便提供干线电压，并且包括第一开关元件、第二开关元件以及所述开关元件之间的输出节点，以便向所述放电灯提供所述电流，所述设备包括第一电流感测电路，用于感测干线和输出节点之间的第一位置中的电流，并且包括第二电路感测电路，用于感测输出节点和地之间的第二位置中的电流。通过感测两个位置中的电流，在桥的上半部的某一位置和在该桥下半部的某一位置中，只需要确定电流信号的高频分量(通常在30kHz-250kHz的范围内)。可以无需感测诸如换向频率之类的低频分量(通常在50-400赫兹的范围内)。这样允许使用相对小的电流变压器，其总容量将小于上述单电流变压器方法的总容量。此外，可以检测半桥应用不均衡操作。这样允许电源的控制回路适应开关元件的工作周期，从而校正所述中点电压，由此使得桥电容器两端的电压成为安全值。对于全桥应用，还可以检测直流分量。
此外，与上述电流旁路方法中损耗上升相比，采用此测量方法的功率损耗将减少。此外，不需要进一步放大输出信号，由此避免了噪声或者干扰问题。
在优选的实施例中，第一感测电路包括第一电流变压器，所述第一电流变压器具有与所述第一位置相连的初级绕组；并且第二感测电路包括第二电流变压器，所述第二电流变压器具有与所述第二位置相连的初级绕组，第一以及第二电流变压器的次级绕组串联连接，以便提供表示所述变换器电流的组合的信号。
依照本发明的另一方面，提供了用于操作气体放电灯的电子镇流器，包括：
-开关型电源(SMPS)电路，用于向放电灯供给电源，所述开关型电源电路包括具有至少一条用于提供干线电压的干线的半桥或全桥换向正向变换器，第一开关元件，第二开关元件，以及在所述开关元件之间的输出节点，以便向灯提供电流；以及
-电流确定电路，用于提供表示变换器电流的信号；
其中所述电流确定电路包括第一电流感测电路，用于感测干线和输出节点之间的第一位置中的电流，并且包括第二电流感测电路，用于感测输出节点和地之间的第二位置中的电流。
在优选的实施例中，所述镇流器包括，该栅级驱动电路与第一开关元件和第二开关元件的栅极相连，并且与电流确定电路相连，用于根据表示变换器电流的所述信号来控制开关元件的切换。将表示变换器电流的信号反馈到所述控制回路，所述控制回路用于控制开关型电源的开关元件的工作周期。所述开关元件的工作周期可以根据此信号、通过所述控制回路来修改。
依照本发明的又一方面，提供了一种用于确定由换向正向变换器提供给气体放电灯的电流的方法，所述变换器包括至少一条用于提供干线电压的干线，第一开关元件，第二开关元件以及所述开关元件之间的输出节点，用于向灯提供电流，所述方法包括以下步骤：
感测所述变换器中所述干线和输出节点之间的第一位置中的电流，并且提供第一输出信号；
感测所述变换器中所述输出节点和地之间的第二位置中的电流，并且提供第二输出信号；
添加第一和第二输出信号，从而提供表示变换器电流的第三输出信号。
如果第一信号是在第一位置测量的电流，第二信号是在第二位置测量的电流，并且所述第三信号是在第一位置测量的电流以及同时在第二位置中测量的电流的和，那么可以获得流过HBCF线圈的电流的测量结果。此电流是流过所述灯的电流的测量值。
附图说明
此外有益的是，将参照附图来阐明本发明的特征以及细节，其中：
图1示出了依照本发明第一优选实施例的电子镇流器的示意性电路图；
图2示出了上部开关元件的电流信号、下部开关元件的电流信号以及变换器电流的图；
图3示出了上部和下部开关元件和变换器电流的组合的电流信号的图；并且
图4是依照本发明第二优选实施例的电子镇流器的示意性电路图。
具体实施方式
图1示出了用于高强度放电灯(LA)的两级镇流器。第一级(I)镇流器包括整流器2，用于将所述交流电源电压(通常是230V 50Hz的市电电源)转换为直流电源电压，以及上变换器或者升压变换器3，用于升高直流电源电压。图1示出了升压变换器或者上变换器的典型布局。所述升压变换器在其中包括电感器(Lboost)、开关元件(T)以及二极管(D)。
如图1所示的第二级(D)的镇流器包括充当双下变换器的半桥换向正向(HBCF)电路。所述HBCF电路包括第一MOSFET T1，第二MOSPETT2，第一以及第二(内部)体二极管D1以及D2，电感器Lhbcf与所述灯串联，电容器Cr与所述灯并联，并且两个电解的桥电容器Cs1以及Cs2串联连接。所述半桥换向正向电路依照严格的不连续模式操作以便允许零电压切换。每半个换向周期(100赫兹左右的换向频率)，一个MOSFET(第一MOSFET T1或者第二MOSFET T2)结合另一个MOSFET的二极管(D2或者D1)来操作。所述MOSFETS的切换通过工作周期控制电路来实现，如图1中示意性地示出的那样。此电路控制半桥换向正向电路的工作周期。如依照本发明的确定，所述控制可以依赖变换器电流或者依赖表示变换器电流的至少一个信号来作出。
第一电流变压器CT1的初级绕组连接在干线和第一MOSFET T1之间。所述电流变压器可以同样连接在所述MOSFET T1和输出节点(0)之间，所述输出节点位于两个MOSFETS T1和T2之间。第二电流变压器CT2的初级绕组连接在第二MOSFET T2和地之间，或者连接在输出节点(0)和第二MOSFET T2之间。将第一变压器和第二变压器的次级绕组串联连接。
图2和3示出了流过上部半桥换向正向电路的第一变压器CT1铁心以及流过下部半桥换向正向电路的第二变压器CT2铁心的电流的测得结果。图2实际上示出了三个信号。信号A表示在第一电流变压器CT1属于上部MOSFET(T1)时的响应，而信号B是在电流变压器CT2属于下部MOSFET(T2)时的响应。信号C表示作为时间函数的实际变换器电流。图的左部示出了第一换向半周期，而图的右部示出了随后的半个换向周期。
根据图2，显而易见的是，只有通过变压器铁心的电流的高频分量被转送，而将低频(换向)频率分量迅速地馈送出去。在图3中，信号D是等于信号A加上信号B的信号。变得更加清楚的是，消除了弱的低频响应和平均值的影响。由此产生的电流信号D给出了清楚的零以及峰值电流信息。此信息可用于评估变换器电流的操作以及由此产生的电灯电流。由此产生的电流信号可以用来确保更加完美的AC灯的操作。
虽然将电流信号的低频部分迅速馈送出去，但是相对小的电流变压器仍示出了电流信号的低频部分的较小转送，正如可以从图2中信号A和B导出的那样。特别是信号B清楚地示出了在换向之后，零电平慢慢地接近“零轴”。信号的低频部分早已在几个高频周期之后消失。在图3中产生信号D的电流变压器的次级绕组的上述串联连接具有以下优势。
两个变压器的轻微的低频转送将互相消除，并且不会影响输出信号(C)。这暗指变压器的低频转送性能已经变得不相关。为了改善信号A和B的低频分量的上述消除，如此来选择变压器，其中使两个变压器的低频响应基本上相同。
进一步的优势在于：由此产生的信号D(图3)是单极性的或者是整流的。无论换向正向变换器发送电流的方向(正的或者负的)如何(参照图3，信号E)，所述电流的最大值将是正的。因此，与电流变压器的次级绕组相连的峰值电流检测电路只需要检测正的最大值。此外，在穿过零点的情况下，将始终从负外侧通过零至正外侧来改变。
图4示出了高强度放电灯(LA)的两级镇流器，其中第一级(I)相当于图1中示出的镇流器。第二级(II)镇流器示出了全桥换向正向(FBCF)布局。所述FBCF电路包括第一MOSFET T1，第二MOSFET T2，第三MOSFET T3以及第四MOSFET T4，第一、第二、第三和第四(内部)体二极管D1-D4，灯电感器Lhbcf与所述灯串联，灯电容器Cr与所述灯并联，并且一个电解电容器Cs与第二和第三MOSFET并联。所述全桥换向正向电路依照严格的不连续模式操作以便允许零电压切换。与图1中所示的镇流器相似，第一电流变压器CT1的初级绕组连接在干线和第一MOSFET T1之间。第二电流变压器CT2的初级绕组连接在第二MOSFET T2和地之间，或者连接在输出节点(0)和第二MOSFET T2之间。将第一变压器和第二变压器的次级绕组串联连接。由第一变压器获得的信号和第二变压器获得的信号的组合将给出表示变换器电流的信号。
由于通过所述MOSFET的实际峰值电流在每个高频周期借助于上述电流变压器来测量，所以在低频电流的正和负周期部分，所述电流始终相同。因此不可能有直流分量(在正负低频周期部分之间振幅不同)。
本发明不局限于其上述优选实施例；真正的范围由以下的权利要求书限定，在本发明的范围内可以预计有许多修改。

Claims (8)

1.用于操作气体放电灯的电子镇流器，包括：
-开关型电源(SMPS)电路，用于向放电灯供给电源，所述开关型电源电路包括具有至少一条用于提供干线电压的干线的半桥或全桥换向正向变换器，第一开关元件(Q1)，第二开关元件(Q2)，以及所述开关元件之间的输出节点，以便向灯提供电流；
-电流确定电路，用于提供表示变换器电流的信号；
其中所述电流确定电路包括第一电流感测电路，用于感测干线和输出节点之间的第一位置中的电流，并且包括第二电流感测电路，用于感测输出节点和地之间的第二位置中的电流。
2.如权利要求1所述的电子镇流器，其中所述第一感测电路包括第一电流变压器，所述第一电流变压器具有与所述第一位置相连的初级绕组，并且第二感测电路包括第二电流变压器，所述第二电流变压器具有与所述第二位置相连的初级绕组，第一以及第二电流变压器的次级绕组串联连接，以便提供表示所述变换器电流的组合的信号。
3.如权利要求1或2所述的电子镇流器，包括栅级驱动电路，该栅级驱动电路与所述第一开关元件和第二开关元件的栅极相连，并且与电流确定电路相连，用于根据表示变换器电流的所述信号来控制开关元件的切换。
4.一种通过换向正向变换器来确定提供给放电灯的电流的设备，其中可以将变换器与干线相连以便提供干线电压，并且包括第一开关元件、第二开关元件以及所述开关元件之间的输出节点，以便向所述放电灯提供所述电流，所述设备包括第一电流感测电路，用于感测干线和输出节点之间的第一位置中的电流，并且包括第二电流感测电路，用于感测输出节点和地之间的第二位置中的电流。
5.如权利要求4所述的设备，其中所述第一感测电路包括第一电流变压器，所述第一电流变压器具有与所述第一位置相连的初级绕组，并且第二感测电路包括第二电流变压器，所述第二电流变压器具有与所述第二位置相连的初级绕组，第一以及第二电流变压器的次级绕组串联连接，以便提供表示所述变换器电流的组合的信号。
6.一种用于确定由换向正向变换器提供给气体放电灯的电流的方法，所述变换器包括至少一条用于提供干线电压的干线，第一开关元件，第二开关元件以及所述开关元件之间的输出节点，以便向灯提供电流，所述方法包括以下步骤：
感测所述变换器中所述干线和输出节点之间的第一位置中的电流，并且提供第一输出信号；
感测所述变换器中所述输出节点和地之间的第二位置中的电流，并且提供第二输出信号；
将第一和第二输出信号相加，从而提供表示变换器电流的第三输出信号。
7.如权利要求6所述的方法，其中第一信号是在第一位置测量的电流，第二信号是在第二位置测量的电流，并且所述第三信号是在第一位置测量的电流以及同时在第二位置中测量的电流的和。
8.如权利要求6或者7所述的方法，其中使用如权利要求1-3任一项所述的电子镇流器和/或如权利要求4-5任一项所述的设备。
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