专利名称：用于高强度放电灯的电子镇流器的制作方法
技术领域：
本发明涉及适合于向高强度放电灯提供运行功率的电子镇流器。
背景技术：
和先有技术状态电子镇流器的功能是向高强度放电灯(HID)，例如金属卤素灯，提供在启动和工作时所需的功率。金属卤素灯是将金属卤化物密封在石英外壳中的一种高压气体放电灯。由于这种灯的几何体积小且有近似白光的高效率，现已广泛用来照明体育运动场和道路。这种灯也具有许多工业和家庭应用。
为启动工作，金属卤素灯需要高点火电压。但一旦激励起弧光放电后，灯在工作时就由一个不高于镇流器所连接的交流电源电压的电压来维持。所以电子镇流器的功能就是向与它关联的HID灯以其额定的瓦数提供灯在启动和随后工作时所需的电压和电流。
虽然金属卤素灯因其几何体积小而值得注意，但在向灯提供功率的现有镇流器中却没有这一特点，因为典型的多级电子镇流器具有许多磁性和功率元件，而这些都不能紧密封装。本发明旨在创建一种用于HID灯的电子镇流器，其具有比标准电子镇流器少的磁性和功率元件，而且小型、高效和工作可靠。
向HID灯提供功率时电子镇流器的效率主要取决于它的功率因子额定值。功率因子定义为实际输入功率电平除以视在功率电平。视在功率电平，以瓦表示，由RMS电压值乘以RMS电流值来确定。功率因子是负载电流和电压在时间上相互同相程度的函数。负载电流超前或滞后电压的程度越大，功率因子就越低，镇流器的效率也越低。
为了提供具有高功率因子额定值的用于HID灯的电子镇流器，在授予Weng的美国专利6034489(2000)和5986901(1999)和授予Sun的美国专利6020690(2000)中公开了包括功率因子校正(PFC)级的电子镇流器。提供给这一级的是从连接到AC电源线的桥式整流器中导出的未调节DC功率。所述PFC级用来使输入电流基本上与电压同相，从而使镇流器具有高功率因子额定值。
上述美国专利中公开的PFC级与镇流器级相关联，例如将提供到HID灯的瓦数维持在所需电平的功率控制级，调节提供给功率控制级的DC功率的储能电容器级。在电容器级，当线电压低于RMS电平时电容器用来储存能量。
与上述专利中公开的PFC级相关联的镇流器各个级都需要的各种磁性和功率元件以及起电子开关作用的晶体管，对于镇流器的大小，重量和成本都关系重大。而大量的这些元件就不能创建能使小型HID灯工作的小型镇流器。
发明概述鉴于上述，本发明的主要目的就是提供用于HID灯的一种电子镇流器，其特征在于高功率因子额定值和高效率，而且比用于同一目的的现有镇流器具有较少的磁性和功率元件。
更具体地说，本发明的一个目的就是提供一种电子镇流器，其功率因子校正电路、储能电容器电路和功率控制电路结合成具有较少的磁性和功率元件的单一电路，即比这些电路被包括在分开的各镇流器级中时所需的元件数要少。本发明的电子镇流器的一个显著优点就是它可以封装成小而轻的形式。所述镇流器的另一优点就是它可以用较低成本大量生产。
简言之，这些目的是由向高强度放电(HID)灯提供运行功率的电子镇流器来实现的，所述电子镇流器包括连接到AC电源线的全波整流器，用以产生加到功率因子校正(PFC)电路上的未稳压的脉动DC输出。PFC电路包括第一半导体电子开关，对其周期性的激活加以控制以便使输入电流和电压在时间上更接近彼此同相，从而使整流器具有高的功率因子额定值。
将PFC电路的脉动DC输出加到储能电容器电路上使其充电，电容器电路包括第二电子开关，对其周期性的激活加以控制，使电容器的放电能导致电容器电路产生稳定的DC输出。将稳定的DC输出馈入功率控制(PC)电路，所述功率控制电路包括第三电子开关，对所述第三电子开关的周期性的激活加以控制使提供到HID灯的功率维持在灯的额定瓦数。第一、第二和第三开关的周期性激活彼此同步。
附图简要说明为了更好地理解本发明以及本发明的其它目的和特征，请参阅附图，附图中
图1为用于HID灯的先有技术电子镇流器的方框图；图2示出镇流器中的全波整流器的脉动DC输出的波形；图3示出按照本发明第一实施例的镇流器的示意电路图；以及图4示出按照本发明第二实施例的镇流器的示意电路图。
发明详细说明先有技术镇流器图1示出组成先有技术型镇流器的依次各级。由图可见，所述镇流器的输入连接到AC电源线，以线AC标注，镇流器的输出加到高强度放电灯上，以灯HID标注。这个灯可以是必需点火以启动弧光放电的金属卤素灯或任何其它类型的高强度气体放电灯，例如汞或钠蒸汽灯。
在图1所示的先有技术的电子镇流器中，以及在图3所示的镇流器中，电流和电压的具体数值取决于镇流器所连接的电源线的性质以及镇流器使之工作的HID灯的瓦数额定值。因此，AC电源线是230V，50周时的电压和电流数值不同于AC电源线是120V，60周时的电压和电流数值。
AC线的电源通过电子镇流器的第一级10馈入，这是一个RFI滤波器，滤除在电源线上传输的任何射频干扰或RF噪声。RFI滤波器级10的输出加到全波二极管桥式整流器11上。所述整流器产生未稳压的脉动DC电压，其波形W示于图2。
波形W由具有相同极性和幅度的半波正弦脉冲P的连续序列组成。每个脉冲P从参考电平R上升到峰值电平，然后回到所述参考电平。每秒的脉冲数是AC电源线电压频率的两倍。因此，如果AC电源线是230V，50周线，则全波整流输出为每秒100个脉冲，峰值振幅接近380伏。脉冲P的峰值电平下面是230伏的RMS电平，它反映视在功率电平。在波W的连续正脉冲之间RMS电平下面是减弱功率的谷V。
来自桥式整流器11的未稳压脉动DC电压馈入功率因子校正(PFC)级12，所述功率因子校正级检测输入电流超前或滞后于电压的程度，然后进行校正，校正的方向和程度应能使整流器有高的功率因子额定值，例如95％。
来自PFC级12的未稳压的脉动的同相DC输出加到储能电容器(SC)级13上，使其电容器充电并以定时的时间间隔放电，产生稳定的DC输出，其中脉动波W中的谷V被有效地填满，这样SC级产生的功率接近峰值。SC级13的功能是在线电压低于RMS电平时储存能量。
来自SC级13的功率加到功率控制(PC)级14，在这一级，检测提供到HID灯的功率变化，产生用以调节提供给HID灯的功率的控制信号，以便将功率维持在灯的瓦数额定值上。所以，如果HID灯具有60瓦的额定值，由整流器向其提供的稳定功率基本上就是60瓦的功率。
PC级14的输出馈入逆变器级15，该逆变器级产生方波脉冲，加到灯的点火级16中的谐振电路上。工作时，从逆变器级出来的方波脉冲前沿的振幅突变起冲击-激励点火级的谐振电路的作用，从而产生高电压浪涌，使HID灯点火，产生弧光放电。
所以先有技术的镇流器具有高功率因子额定值，能有效地使与其关联的HID灯点火和工作。但镇流器多级所需的磁性和功率元件必需装配在一个外壳中以创建成一个独立的单元，这些元件数量太多，不能创建又小又轻的装置。
本发明图3所示的本发明的电子镇流器，其结构与图1所示的先有技术镇流器基本相同，只有一个重要的区别。这两种电子镇流器中同样的元件用同样的缩写和编号表示。图3所示的镇流器中，将图1中所包括的PFC级12、SC级13和PC级14合并在单一的电路中，比起单独各级所需的磁性和功率元件来说这个电路具有较少的磁性和功率元件。
这样，图3中组合的PFC、SC和PC级只有三个MOSFET晶体管用作电子开关S1、S2和S3。开关S1实现镇流器的PFC功能，开关S2同时实现SC和PC功能，而开关S3仍用作PC功率控制。
MOSFET晶体管是一种金属-氧化物场效应半导体，其特点是开关速度高。由于在镇流器电路中电子开关S1、S2和S3同时被频率高达50KHZ(和更高)的高频控制脉冲激励，故开关必需能高速接通和断开是至关重要的。
在本发明的典型结构中，桥式整流器11的脉动DC输出(其波形W示于图2)加到功率因子校正电路的电子开关S1上。这个开关由脉冲发生器17产生的高频方波脉冲T1驱动，所以脉冲发生器17是用作周期性激励开关S1的装置。这个脉冲发生器以及镇流器电路中所包含的其它脉冲发生器都可用集成电路芯片构成。
加到MOSFET电子开关S1的栅极上并以高频速率接通和断开此开关的来自发生器17的周期性方波脉冲T1是在桥式整流器11的输出中根据从串接电阻器18导出的控制信号CS1作了脉冲宽度调制的。输入电流要经过电阻器18流到功率因子校正电路，故电阻器18用作输入电流传感器，可检测所述电流与电压的相位偏移。
加到MOSFET电子开关S1的栅极上的方波脉冲T1的脉冲宽度调制改变了开关动作的负载周期，即开关的ON(接通)时间和OFF(断开)时间之比。由于负载周期作为输入电流和电压在时间相位上偏差的程度和方向的函数而改变，开关S1就可用来实现经过所述开关的脉动DC功率的功率因子校正。
电子开关S1的输出中已经过功率因子校正的脉动DC功率通过与二极管20串联的扼流圈19单方向地馈入电容器充放电电路的储能电容器21，使电容器由脉动DC波W充电。扼流圈19用作低通滤波器，其有用的输出为直流电流，和电源整流器滤波器相同。
储能电容器电路用来调制加到所述电路上的脉动DC功率，方法是有效的填充脉动波W中的谷V。这种操作由MOSFET电子开关S2实现，电子开关S2被脉冲激励时提供一条通过二极管22的放电通路，于是电容器21的放电单方向地流过与电子开关S2和扼流圈19串联的二极管22到达电容器电路输出中节点N。这样，当开关S3已通电但仍在断开状态时电容器21通过二极管22充电，而当开关S2接通时，电容器21通过二极管22放电。当输入电压超过RMS值时开关S2断开，而当电压降到这个数值以下时开关S2被脉冲激励。电容器21的电压必需高于提供到逆变器的电压。
控制电子开关S2的激励，使其在图2所示的波低于RMS电平时，在以脉动DC波W的谷V所代表的时间间隔中放电，从而有效地重新分配可用的DC功率。
为实现此操作，电子开关S2由脉冲发生器23所产生的高频方波脉冲T2激励，所以脉冲发生器23用作周期性激励开关S2的装置。脉冲T2由加到所述发生器上的控制信号进行脉冲宽度调制，所述信号是从与负载电流所流经的输出线路串联的电阻器24上导出的。故此电阻器24用作负载电流传感器，提供随负载电流中的变化而变化的控制信号。结果，电子开关S2的负载周期得到控制，充电的储能电容器21的放电就可用来调整在储能电容器电路的输出节点N上所得到的DC功率。
高频脉冲发生器17和23彼此同步工作，当这些发生器周期性激励的开关S1和S2都断开时，电流由单向传动二极管25加到扼流圈19。
来自节点N的功率通过功率控制电路加到镇流器系统的逆变器15上，功率控制电路包括第三MOSFET开关S3，从脉冲发生器23中导出的脉冲宽度调制控制脉冲T3加到S3的栅极上，所以脉冲发生器23用作周期性激励开关S3的装置。控制脉冲T3的脉冲宽度调制由从负载电流传感器24导出的控制信号实现。当加到开关S3上的电压低于RMS值时，开关S3闭合因而导通，且开关S2同时执行脉冲宽度调制控制。当电压高于RMS值时，开关S3被激励以对逆变器的脉冲宽度产生进行控制，开关S2则断开不起作用。
于是，如果负载电流下降，反映加到HID灯的功率减小，所得的控制信号就会使脉冲T3的宽度增加，当输入电压低于RMS电平时，开关S2的所得负载周期增加，从而使负载电流恢复到其适当的强度。
图3所示的镇流器电路实现着图1所示的先有技术镇流器中PFC级12、SC储能电容器级13和PC功率控制级14的同样功能。但它用较少的磁性和功率元件来完成这些功能，因为按照本发明的镇流器电路的主要元件就是三个MOSFET、一个储能电容器、一个扼流圈和三个二极管，没有变压器或其它笨重零件。因此有可能为HID灯制造又小又轻的电子镇流器装置，所述镇流器中的磁性和功率元件比传统镇流器中的元件数量少且体积小，所以能封装到小外壳中。
如上述，在图3所示的镇流器电路中，周期性激励MOSFET S2和S3的装置是共用的脉冲发生器23。但如有必要也可采用分开的脉冲发生器。
图4示出的镇流器在构造和工作上与上述参考图3说明的镇流器相同，不同的是它包括有第三脉冲发生器26，与第二脉冲发生器23馈入到第二MOSFET S2的脉冲S2同步地将脉冲S3馈入MOSFET S3。
以上示出了按照本发明的电子镇流器的最佳实施例，应理解可以对其作改变而不背离权利要求书所定义的本发明范围。
所以，当本发明的电子镇流器用来运行DC供电的HID灯时，它将不包括如图1所示的向点火器提供AC的逆变器。用于DC供电的HID灯的电子镇流器中所包含的点火器必需是适合于所述HID灯的点火器。此外，如图1所示的用于AC电源的RFI滤波器对于本发明的电子镇流器也不是必不可少的。
权利要求
1.一种适合于向具有特定额定瓦数的高强度放电灯提供运行功率的电子镇流器，所述镇流器包括全波整流器(11)，它连接到AC电源线，产生未稳压的脉动DC输出；功率因子校正电路(12)，它连接到所述整流器的输出，所述功率因子校正电路配有第一电子开关(S1)，所述输出即加于其上，还包括装置(17)，用于周期性地激励所述第一电子开关并改变其负载周期，以产生未稳定的DC功率输出，所述输出的电压基本上与其电流同相，从而使所述整流器具有高功率因子额定值；储能电容器电路(13)，将所述功率因子校正电路的输出加于其上，使储能电容器电路中的电容器(21)充电，所述储能电容器电路包括在激励时使所述电容器放电的第二电子开关(S2)和用于周期性地激励所述第二开关并改变其负载周期的装置(23)，从而在所述电容器电路的输出中产生稳定的DC功率输出；以及功率控制电路(14)，它连接到所述储能电容器电路的输出，所述功率控制电路包括在激励时向灯提供功率的第三电子开关(S3)和用于周期性地激励所述第三开关并改变其负载周期的装置(23，26)，从而以灯的额定瓦数维持提供给灯的电源电压。
2.如权利要求1所述的镇流器，其特征在于所述第一、第二和第三开关的脉冲激励是彼此同步的。
3.如权利要求1或2所述的镇流器，其特征在于所述整流器是二极管桥式整流器。
4.如权利要求1到3中任一项所述的镇流器，其特征在于所述灯是金属卤素灯。
5.如权利要求1到3中任一项所述的镇流器，其特征在于所述灯是汞蒸汽灯。
6.如权利要求1到5中任一项所述的镇流器，其特征在于所述第一、第二和第三电子开关各由MOSFET构成。
7.如权利要求1所述的镇流器，其特征在于所述功率控制电路(12)的输出馈入逆变器(15)，所述逆变器产生周期性脉冲，加到点火器上使所述灯点火。
8.如权利要求1所述的镇流器，其特征在于所述激励第一开关的装置包括脉冲发生器(17)，所述脉冲发生器产生宽度受调制的高频方波脉冲以改变所述第一开关的负载周期。
9.如权利要求8所述的镇流器，其特征在于还包括装置(18)，用于检测流入所述功率因子校正电路的输入电流，并产生控制信号，加到所述脉冲发生器上以调制其产生的脉冲宽度。
10.如权利要求1到9中任一项所述的镇流器，其特征在于激励所述第二开关的装置包括第二脉冲发生器(23)，所述脉冲发生器产生宽度受调制的高频方波脉冲以改变所述第二开关的负载周期。
11.如权利要求1到10中任一项所述的镇流器，其特征在于激励所述第三开关的装置包括第三脉冲发生器(26)，所述脉冲发生器产生宽度受调制的高频方波脉冲以改变所述第三开关的负载周期。
12.如权利要求9所述的镇流器，其特征在于所述第三脉冲发生器由负载电流传感器(24)所导出的信号控制，使所述脉冲宽度作为负载电流变化的函数而受调制。
13.如权利要求1到12中任一项所述的镇流器，其特征在于所述电容器(21)通过扼流圈(19)充电。
14.如权利要求11所述的镇流器，其特征在于所述第三脉冲发生器与所述第二脉冲发生器同步工作。
15.如权利要求1到14中任一项所述的镇流器，其特征在于用于周期性激励所述第二电子开关的所述装置(23)和用于周期性激励所述第三电子开关(S3)的所述装置(26)结合成整体。
全文摘要
一种向高强度放电(HID)灯提供运行功率的电子镇流器。所述镇流器包括全波整流器(11)，它连接到AC电源线，产生未稳压的脉动DC输出，此输出加到功率因子校正(PFC)电路上。PFC电路包括第一半导体电子开关(S1)，控制其激励以使输入电流和电压在时间相位上彼此同步，从而使整流器具有高功率因子额定值。PFC电路的脉动DC输出加到储能电容器电路(13)使之充电，电容器电路包括第二电子开关(S2)，控制其激励使电容器放电，使电容器电路在其输出中产生稳定的DC，将此DC馈入功率控制(PC)电路(14)。PC电路包括第三电子开关(S3)，控制其激励，使提供给HID灯的功率瓦数维持在灯的额定瓦数。
文档编号H05B41/28GK1582604SQ01823923
公开日2005年2月16日 申请日期2001年11月5日 优先权日2001年11月5日
发明者S·巴拉克 申请人:照明技术电子工业有限公司