專利名稱：分級啟動式高強度氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高強度氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器，屬于照明電力電子技術領域。
國內外現有的高強度氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器，采用大功率開關管構成的半橋或全橋高頻開關，把直流電源逆變成20～50KH的高頻電壓，通過串并聯諧振回路與燈管耦合，在燈未啟動前由并聯諧振回路提供諧振升壓，以啟動燈管，燈管啟動后由串聯諧振回路提供較大的工作電流。
由于高壓鈉燈、金屬鹵化物燈這類高強度氣體放電燈中沒有輔助啟動電極，只能靠在其兩電極加入高電壓的方法迫使氣體游離擊穿而啟動。高壓鈉燈冷態(tài)啟動需2～2.5KV，金屬鹵化物燈需3～4KV才能冷態(tài)啟動，而熱態(tài)啟動電壓將高達20KV以上，正常工作時高壓鈉燈管壓為100～110V，金屬鹵化物燈為130～140V，即它們的啟動電壓是正常工作電壓的20多倍。由于高壓鈉燈、金屬鹵化物燈一般都是大功率燈，工作電流較大，要提供較大的工作電流則希望諧振電感量很小，而諧振電感量取得很小時，就需要橋電路提供很大的啟動電流才能產生諧振高壓來啟動燈管。通常啟動電流要達到穩(wěn)態(tài)工作電流的10多倍，若大功率開關管按穩(wěn)態(tài)工作電流容量選取，則對每一次啟動過程來說都是十分危險的，因為比穩(wěn)態(tài)電流大10多倍的啟動電流對電力電子器件將造成極大的應力，特別是燈管出現異常狀態(tài)或遇到瞬時停電又來電時，或燈管處于熱態(tài)時，諧振電壓不可能將燈管啟動，若保護電路延時大些，瞬間就可能燒毀大功率管。若按10多倍穩(wěn)態(tài)電流容量來選擇大功率開關管，雖然可緩和一些啟動過流的矛盾，但進入正常工作狀態(tài)時，電流將只有額定容量的十分之一，造成價位的成倍提高而失去推廣的可能性。
本發(fā)明的目的旨在提供一種分級啟動式高強度氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器，它可在啟動過程中減小對開關管電流過大的要求，即不用過分的增加開關管額定電流容量就可實現燈管的可靠啟動。
本發(fā)明是基于以下思路而實現的將電子鎮(zhèn)流器諧振電路中的電感和電容分成啟動電感和電容、工作電感和電容兩部分，將啟動電感和電容常接入諧振回路；檢測燈管電流，一旦燈管啟動后，便把工作電感和電容并入諧振回路。工作電感和電容也可再細分成數級，然后逐級并入諧振回路。
根據該思路所設計的分級啟動式高強度氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器，由整流濾波電路、逆變器、諧振電路、異常保護電路組成，異常保護電路包括過壓保護電路和啟動保護電路，諧振電路接在逆變器的輸出回路中，異常保護電路檢測異常信號，其輸出控制逆變器的輸入，其特征在于所述諧振電路由啟動諧振器、工作諧振器、切換開關組成，工作諧振器和切換開關串聯后與啟動諧振器并聯，該切換開關由一個根據燈管電流而動作的啟動切換電路控制。
由于啟動電感量大、啟動電容小，即諧振回路的特征阻抗和Q值大，這樣可以獲得更高的諧振電壓來保證燈管的可靠啟動，同時可把對開關管的電流容量要求減小4～6倍。當燈管啟動后，根據燈管電流而動作的啟動切換電路便通過切換開關將工作電感和電容并入諧振回路。由于此時諧振回路中的特征阻抗因總電感減小、總電容增大而減小，故能給燈管提供較大的工作電流。由于啟動電流與穩(wěn)態(tài)運行電流相近，故不需選用過大的開關管就可實現可靠啟動和運行的效果。
高強度氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器的推廣應用決定于其可靠性及合理的價位，而可靠性主要決定于啟動過程和異常狀態(tài)保護特性，只有在合理的價位下徹底解決啟動過程中電力電子器件應力過大的技術難題之后，高強度氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器推廣使用才有可能。本發(fā)明較好地解決了這個問題。
下面結合實施例對本發(fā)明作詳細說明。


圖1和圖2分別為本發(fā)明最佳實施例的電路框圖和原理圖；圖3為本發(fā)明第二實施例的電路原理圖。
高強度氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器由圖1所示的整流濾波電路、逆變器、諧振電路、異常保護電路組成，諧振電路接在逆變器的輸出回路中，異常保護電路檢測異常信號，其輸出控制逆變器的輸入。其中逆變器由正交電流互感器及依次串聯的無觸點開關、主開關管、推挽高頻變壓器構成，正交電流互感器的次級接主開關管的輸入。諧振電路由啟動諧振器、工作諧振器、切換開關組成，工作諧振器和切換開關串聯后與啟動諧振器并聯，該切換開關由一個根據燈管電流而動作的啟動切換電路控制，該啟動切換電路由電流互感器及接在該電流互感器次級的整流器、晶體管、繼電器構成，該繼電器的接點構成所述切換開關，電流互感器次級的輸出由整流器整流后經晶體管驅動繼電器。異常保護電路包括過壓保護電路和啟動保護電路，啟動保護電路由累計啟動次數的計數器和再啟動電路組成，再啟動電路的輸入接自所述啟動諧振器的輸出，再啟動電路的輸出接計數器的計數端和所述逆變器中無觸點開關的控制輸入端，計數器的輸出接再啟動電路的控制輸入。過壓保護電路由監(jiān)測燈管電壓的電壓監(jiān)測電路組成，電壓監(jiān)測電路的輸出接正交電流互感器的初級。
以下結合圖2對本發(fā)明的電子鎮(zhèn)流器的工作原理進行描述在整流濾波電路中P為保險器、VR為壓敏電阻，當輸入電壓嚴重過壓時，VR通過大電流把保險P燒斷，從而保護后續(xù)電路。L01、L02、C0組成抗干擾電路，濾除鎮(zhèn)流器的高頻電流進入電網。D1～D4為整流橋，C1、C2、D5～D7組成逐流式濾波電路，使輸入電流的導通角大于120度，以盡量提高輸入功率因數和減小高次諧波污染電網。C15為高頻電流濾波電容，整流后的直流高壓直接加到推挽高頻變壓器T2的中心點。
無觸點開關、正交可控電流互感器T1、R14、R19、D11、D12、C11、C12、主開關管BG4和BG7、續(xù)流二極管D14和D15、無損緩沖器C13和C14、高頻推挽變壓器T2構成自激調頻逆變器。T1檢測輸出電流，以驅動開關管BG4和BG7，構成正反饋自激振蕩。其中D11、D12為慢速整流二極管，以給驅動電流提供一定的死區(qū)，避免主開關管BG4和BG7同時導通，使開關管工作于諧振軟性開關狀態(tài)以減小關斷損耗。向正交可控電流互感器T1的正交線圈通入直流，可等效于減小電流互感系數，迫使開關管提前關斷，因而自激頻率升高。無觸點開關由R15～R18、BG2、BG3、BG5、BG6組成，當其向R16、R17提供直流電流時，BG2、BG5開通，把BG3、BG6的基極對地短路，自激振蕩器可以工作；當撤出R16、R17的電流時，自激振蕩器強迫停機。R21、C10、R20、DW4構成自激振蕩器的起振電路，當自激振蕩器起振后，C10被D13短路，起振電路不再干擾自激振蕩器。為提高效率、減小高頻變壓器的體積重量，高頻變壓器輸出為自耦降壓。理論分析指出，為把燈管極大功率電壓設定在115V，需200V方波激勵諧振回路，半橋只能獲得140V方波電壓，當電網欠壓時啟動困難，而全橋電路輸出為280V方波，諧振回路與續(xù)流二極管交換的無功功率太大，加大了開關管的負擔，增加了能耗。而采用推挽自耦降壓變壓器則能獲得最好的電壓匹配效果，其最佳變比為2×280∶200＝2.8∶1。
IC為計數器，再啟動電路由BG1、SCR1、SCR2構成。SCR1、SCR2構成雙穩(wěn)態(tài)可控硅開關，用以向無觸點電子開關電路提供開、停信號，當啟動過程中遇到不能正常啟動燈管時，經啟動電感L1次級整流的信號經R22、C19延時后通過DW3、R11加到SCR2控制極上，觸發(fā)SCR2導通，通過無觸點電子開關迫使自激振蕩器停振。于是由BG1、C5、R5、R7、C6、R8、DW2構成的再啟動電路進入延時狀態(tài)，約1分鐘后C6上的電壓達到32V，SCR1被觸發(fā)，通過C8強迫SCR2關斷，無觸點開關得電，自激振蕩器起振。IC為二進制計數器CD4024，當試探再啟動達到16次時，若燈仍不能啟動，則IC的第6腳變?yōu)楦唠娖?，迫使BG1導通，截斷再啟動電路，使電路進入冬眠狀態(tài)，使輸出不會周期性產生高壓，以增加安全性，除非重新來電。
C16、C17、L1構成啟動諧振器，L2、C22構成工作諧振器，C16、C17除構成高頻諧振網絡外，還起到隔離電網高壓的作用。當自激振蕩器工作后，通過C16、C17、L1、C25、TR把輸出電壓通過并聯諧振升壓后加到燈管Na-Hg上，使燈管啟動。燈管啟動后有一較小電流通過電流互感器T4的初級，其次級經整流后加到BG8基極，BG8導通后繼電器J吸合，把工作電感L2、工作電容C22并聯接入諧振回路，由于此時諧振回路中并聯了工作電感和工作電容，使得諧振回路的特征阻抗減小，故可向燈管提供較大的工作電流，使燈管增溫、增氣壓。燈管電壓上升約10分鐘后，便進入穩(wěn)態(tài)工作點工作。啟動電感的電感量比工作電感大2～5倍，啟動電容的電容量比工作電容小2～10倍。
若燈管由于長期工作處于鈉耗空狀態(tài)時，燈管電壓將上升，此時通過燈管電壓互感器T3次級經整流的電壓將上升，使DW6導通、BG9進入導通狀態(tài)，于是有電流流經正交電流互感器T1的正交激磁線圈，迫使開關管提前關斷，自振頻率上升，L1、L2的電抗增加，燈管電流將減小，燈管電壓被強制在120V左右，從而形成閉環(huán)限壓，這樣便不會造成過功率現象。
由電網過壓所造成的燈管過功率也被此閉環(huán)限壓控制在不過功率點上。
TR為正溫度系數熱敏電阻PTC元件，主要是為適應在放電管上繞鎢絲，將燈管加熱到300℃時，利用潘寧效應預熱啟動燈管用的，當不是預熱啟動燈管時，經幾秒延時后，PTC元件等效于開路，諧振電壓上升到能啟動一般燈管。
為簡化供電，保護電路直接工作于直流高壓，IC電路是CMOS，只需很小工作電流，它用直流高壓經電阻降壓穩(wěn)壓管后供電，繼電器與閉環(huán)限壓器共用一個從T2繞出的次級線圈供電。
本發(fā)明的第二實施例如圖3所示。其最大特點是幾乎不增加成本、不降低效率而實現把輸入功率因數校正到0.98以上，而總諧波電流也可壓縮在8％以下。
該實施例采用半橋結構，其逆變器由正交電流互感器、無觸點開關、半橋結構主開關管構成，正交電流互感器的次級和無觸點開關的輸出接主開關管的輸入。整流濾波電路的輸出回路中串接由L3、C30構成的輸入電流正弦校正器。輸入電流正弦校正器和振蕩器共用元件BG7、D14，屬于最簡電路拓撲結構。但因BG7流過振蕩器和輸入電流正弦校正器的共同電流，其發(fā)熱要比BG4大一些，故需增加BG7的散熱結構。
其工作原理是當正半周時，C30為BG4提供能量，耦合到諧振回路供給燈管。負半周時BG7導通，它除為振蕩器提供電流外，還為L3提供儲能電流。當BG7關斷時，D14為振蕩回路和L3提供續(xù)流通道，振蕩器的滯后無功通過D14把能量回饋給C30，同時存儲在L3中的磁場能量也同時通過D30為C30充電。為降低對整流橋的要求，在整流橋后并有高頻通道的1微法級電容C31，它不會造成大的工頻電流沖擊，因而只需普通整流橋而不需快速整流橋。D30實現電網與振蕩器的耦合，因通過L3的電流為不連續(xù)高頻三角波，D30需快速二極管以減小開關損耗。D14也需快恢復特性的二極管，即使采用有阻尼的功率晶體管，也需再并入快速二極管以減小二極管的開關損耗。
這樣就把輸入電流校正為正弦包絡的高頻三角波電流，再通過C1、L0、C0的無源校正，就可實現與輸入電壓同相，波形相似的電流波形提高了輸入功率因數減低了諧波對電網的污染，特別是對三相供電系統能大大減小中線中的負序高次諧波電流。
因半橋電路功率管發(fā)射極不共電位，故BG2采用光耦合器，以實現信號耦合與電位隔離。
對繼電器供電電源需用一功率高頻變壓器T2降壓整流濾波實現。對繼電器并聯穩(wěn)壓二極管DW5的目的是為了加速其磁能的迅速耗散而又不過壓擊穿三極管，當電網瞬態(tài)停電時，繼電器能迅速釋放，以便電網重新來電時切除工作電感電容，防止由于燈管熱態(tài)不能啟動而造成瞬時過流現象。
C15、C16的對稱放置除作為串并聯諧振回路耦合外，還能做到當燈管引線對地短路故障時不會燒毀電路，因C15、C16有隔離電網電壓的功能。
電路的其它部分與實施例一類似。
考慮到當遇到毫秒至百毫秒級的停電又來電時，因繼電器的電磁慣性和機械慣性，不可能瞬間釋放工作諧振電路，這時因工作諧振電路呈現低特征阻抗，假設外電又重新來電時，若自激振蕩器起振，則會造成嚴重的過流沖擊而燒毀功率開關管。因此在圖2、3電路中還接有由繼電器J的常閉接點構成的瞬態(tài)停電保護電路，該接點串接在計數器、再啟動電路的供電回路中。在燈管啟動后穩(wěn)態(tài)工作時，計數器、再啟動電路的電源因繼電器的常閉接點斷開而被切斷。當遇到上述情況時，因計數器、再啟動電路的電源被該常閉接點封鎖，故可去除電路的動態(tài)冒險。同時燈管穩(wěn)態(tài)工作時，切斷計數器、再啟動電路的電源還可減小損耗。
根據圖1的原理，若選用大功率場控電力電子器件VDMODFET、IGBT、SIT、MCT等作功率開關，用第三代單片有源功率因數校正、PWMM/調頻控制、保護一體化集成塊ML4830，結合分級啟動電路，可作出從1千瓦至100千瓦的大功率高強度氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器。
權利要求
1.分級啟動式高強度氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器，由整流濾波電路、逆變器、諧振電路、異常保護電路組成，異常保護電路包括過壓保護電路和啟動保護電路，諧振電路接在逆變器的輸出回路中，異常保護電路檢測異常信號，其輸出控制逆變器的輸入，其特征在于所述諧振電路由啟動諧振器、工作諧振器、切換開關組成，工作諧振器和切換開關串聯后與啟動諧振器并聯，該切換開關由一個根據燈管電流而動作的啟動切換電路控制。
2.如權利要求1所述的分級啟動式高強度氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器，其特征在于所述啟動切換電路由檢測燈管電流的電流互感器及接在該電流互感器次級的整流器、晶體管、繼電器構成，該繼電器的接點構成所述切換開關，電流互感器次級的輸出由整流器整流后經晶體管驅動繼電器。
3.如權利要求1所述的分級啟動式高強度氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器，其特征在于在所述諧振電路中，啟動電感的電感量比工作電感大2～5倍，啟動電容的電容量比工作電容小2～10倍。
4.如權利要求1所述的分級啟動式高強度氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器，其特征在于所述啟動保護電路由累計啟動次數的計數器和再啟動電路組成，再啟動電路的輸入接自所述啟動諧振器的輸出，再啟動電路的輸出接計數器的計數端和所述逆變器的控制輸入端，計數器的輸出接再啟動電路的控制輸入。
5.如權利要求1所述的分級啟動式高強度氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器，其特征在于所述逆變器由正交電流互感器及依次串聯的無觸點開關、主開關管、推挽高頻變壓器構成，正交電流互感器的次級接主開關管的輸入。
6.如權利要求5所述的分級啟動式高強度氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器，其特征在于所述過壓保護電路由監(jiān)測燈管電壓的電壓監(jiān)測電路組成，電壓監(jiān)測電路的輸出接正交電流互感器的初級。
7.如權利要求5所述的分級啟動式高強度氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器，其特征在于所述推挽高頻變壓器的降壓比為2.8∶1。
8.如權利要求1所述的分級啟動式高強度氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器，其特征在于所述整流濾波電路的輸出回路中串接輸入電流正弦校正器。
9.如權利要求1所述的分級啟動式高強度氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器，其特征在于所述逆變器由正交電流互感器、無觸點開關、半橋結構主開關管構成，正交電流互感器的次級和無觸點開關的輸出接主開關管的輸入；所述整流濾波電路的輸出回路中串接輸入電流正弦校正器，電流正弦校正器與逆變器共用下半橋主開關管。
10.如權利要求1所述的分級啟動式高強度氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器，其特征在于所述切換開關包括常開和常閉接點，其常閉接點串接在再啟動電路的供電回路中構成瞬態(tài)停電保護電路。
全文摘要
本鎮(zhèn)流器由整流濾波電路、逆變器、諧振電路、異常保護電路組成,異常保護電路包括過壓保護電路和啟動保護電路,諧振電路接在逆變器的輸出回路中,異常保護電路檢測異常信號,其輸出控制逆變器的輸入,諧振電路由啟動諧振器、工作諧振器、切換開關組成,工作諧振器和切換開關串聯后與啟動諧振器并聯,該切換開關由一個根據燈管電流而動作的啟動切換電路控制。它減小了對開關管電流的要求,不用過分的增加開關管額定電流容量就可實現燈管的可靠啟動。
文檔編號H05B41/24GK1183021SQ9710397
公開日1998年5月27日 申請日期1997年4月10日 優(yōu)先權日1997年4月10日
發(fā)明者黃遠義 申請人:黃遠義