专利名称：大功率高强度气体放电灯用低成本电子镇流器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电照明装置，更确切地说是涉及一种适于与大功率高强度气体放电灯配套使用的低成本电子镇流器。
高强度气体放电灯(HID灯)，也称为高亮度气体放电灯或高压气体放电灯，是用途极为广泛的新型节能型电光源。主要包括金属卤化物灯、陶瓷卤化物灯、汞灯、钠灯等，与白炽灯、荧光灯相比有节能、体积小、光谱好、发光效率更高、寿命更长等优点，已逐渐成为公共场所及家庭照明的首选光源，与其配套使用的电子镇流器，特别是大功率、高强度、低成本的电子镇流器则一直是各科研单位及光源生产厂商的研究课题。
现有的各种HID灯的专用电子镇流器，包括名称均为“高强度气体放电灯用电子镇流器”的96207781.x和99200370.9的中国专利，虽然在提高功率因数、简化电路结构、降低产品成本和提高使用寿命方面作出了较大的改进，但其普遍存在的问题仍是体积较大、成本较高、发热现象比较严重特别是价格较高，因此，不能被普遍应用，导致目前大部分的HID灯，仍不得不使用大而笨重且功率因数低、噪声大的工频电感镇流器。
当前电子镇流器的核心技术大致有以下四个方面通过一些特殊的技术措施，特别是用高频信号点燃HID灯以解决声共振问题；有效降低电子镇流器的成本问题，由于驱动HID灯启辉的开关管工作在高频状态下，为避免过大的高频损耗，不得不选用价格昂贵的高档开关管和为对付各种异常情况而采用保护电路，致使产品成本增加；如何产生驱动开关管的高频信号及其保护电路的问题；如何提高电路的工作可靠性。总的来说，因为要综合解决上述四方面的技术问题，使电子镇流器电路更加复杂，过高的成本极不利于产品的实用化。
本实用新型的目的是设计一种大功率高强度气体放电灯用低成本电子镇流器，是针对上述的现实问题及基本国情而作出的一种新型电子镇流器设计方案，专用于HID灯，使之在高频(15～150KHz)正弦波信号下启动、工作，真正具有功率因数高、电路结构简单、成本低廉和使用寿命长的优点。
本实用新型的目的是这样实现的一种大功率高强度气体放电灯用低成本电子镇流器，其特征在于包括直流电源电路、功率因数校正电路和谐振输出电路；所述的直流电源电路、功率因数校正电路及谐振输出电路顺序连接。
所述的直流电源电路由低通滤波电路连接二极管桥式整流电路构成，完成交流至直流的变换。
所述的功率因数校正电路由无源功率因数校正电路和接地点悬浮的驱动电路连接构成；所述的无源功率因数校正电路由电容、电阻、二极管连接构成，所述的接地点悬浮的驱动电路由脉宽调制(PWM)斩波电路、斩波电路的自供电电路和电压取样反馈电路连接构成；所述斩波电路的自供电电路连接所述的无源功率因数校正电路及所述的脉宽调制(PWM)斩波电路；所述电压取样反馈电路连接在所述脉宽调制(PWM)斩波电路的输出与输入端间，所述的无源功率因数校正电路还连接脉宽调制(PWM)斩波电路。
所述斩波电路的自供电电路由电阻和电容连接构成；所述的脉宽调制(PWM)斩波电路由集成单端电流反馈型脉宽调制电路芯片、MOS开关管和隔离变压器连接构成；所述的电压取样反馈电路是一光电耦合电路；集成单端电流反馈型脉宽调制电路芯片的输出端连接MOS开关管的输入端，MOS开关管的输出端连接隔离变压器的次级线圈，隔离变压器的次级线圈还连接所述光电耦合电路的输入侧及所述的谐振输出电路，隔离变压器的初级线圈连接所述斩波电路的自供电电路，所述光电耦合电路的输出侧连接所述集成单端电流反馈型脉宽调制电路芯片的反向输入端；所述的集成单端电流反馈型脉宽调制电路芯片、MOS开关管和隔离变压器付线圈共地连接，与所述隔离变压器的主线圈及所述的谐振输出电路间无共地连接。
所述的功率因数校正电路包括顺序连接的有源功率因数校正电路、接地点悬浮的恒流驱动电路和分别连接有源功率因数校正电路及接地点悬浮的恒流驱动电路的自供电电路。
所述的有源功率因数校正电路、接地点悬浮的恒流驱动电路由集成功率因数校正芯片、MOS开关管、隔离变压器连接构成；集成功率因数校正芯片的输出端连接MOS开关管输入端，MOS开关管输出端连接隔离变压器的主线圈一端及集成功率因数校正芯片的反馈电压输入端，隔离变压器的主线圈另一端连接所述的直流电源电路，隔离变压器的付线圈通过所述的自供电电路连接集成功率因数校正芯片的电源端，集成功率因数校正芯片的基准电压输入端通过基准电压电路连接所述的直流电源电路，隔离变压器的主线圈两端连接所述的谐振输出电路；所述的集成功率因数校正芯片、MOS开关管和隔离变压器付线圈共地连接，与所述隔离变压器的主线圈及所述的谐振输出电路间无共地连接。
所述的谐振输出电路包括直流至交流(DC/AC)的逆变电路、振荡启动电路和镇流点灯电路；所述的振荡启动电路输出连接直流至交流(DC/AC)的逆变电路，直流至交流(DC/AC)的逆变电路输出连接所述的镇流点灯电路；所述恒流驱动电路的输出连接振荡启动电路及直流至交流(DC/AC)的逆变电路。
所述的直流至交流(DC/AC)逆变电路和镇流点灯电路，包括有源极互相连接的第一MOS开关管、第二MOS开关管、分别与第一、第二MOS开关管的栅极连接的第一电阻及第二电阻、电感器、电容器和变压器；所述的变压器具有两个串连连接的主线圈和两个串连连接的付线圈，两个串连连接的付线圈一端分别连接第一电阻及第二电阻，两个串连连接的主线圈分别连接第一、第二MOS开关管的漏极，所述的电容器并接在两个串连连接的主线圈间并连接气体放电灯，所述的电感器串接在所述的振荡启动电路与两个串连连接的主线圈的串接点之间，所述的两个串连连接的付线圈的串接点连接所述的振荡启动电路。
所述的直流至交流(DC/AC)逆变电路，输出的是高频振荡的正弦波，工作频率为15至150KHz。
本实用新型的大功率高强度气体放电灯用低成本电子镇流器，以高频振荡输出的正弦波作为起辉气体放电灯及正常点灯的工作主频，整个电路由于工作在15至150KHz的高频状态下，使谐振输出电路中构成电感器及变压器的磁性材料的尺寸可大大减小，电容器的尺寸也可大为减小，如按本实用新型技术方案设计的175瓦电子镇流器产品与按常规技术方案设计的35瓦电子镇流器产品的外形尺寸相当。
本实用新型的大功率高强度气体放电灯用低成本电子镇流器，采用新颖且简单的电路设计方案，其实施例仅使用一个常规的集成电路芯片、三个MOS开关管及少量的基本电器元件，却综合解决了大功率高强度气体放电灯用电子镇流器诸方面的核心技术。以高频正弦波信号启动点灯基本无声共振现象，且使总体体积大大减小。采用有源或无源功率因数校正电路，使功率因数可分别达到0.99、0.95以上，电流谐波总含量分别低于10％、30％，波峰比小于1.7；采用恒流电路为后级的谐振输出电路提供稳定的工作电源，使DC/AC逆变及功率输出电路具有结构简单、体积小、成本低廉和可靠性高的特点。
本实用新型实施例样品，与175瓦的金属卤化物灯配合使用，收到了令人满意的效果。当供电电压在220V±20％间波动时，金属卤化物灯可稳定工作，无熄弧现象。电子镇流器在发生输出空载或输出短路时，因设计有保护电路，故不会损坏。
下面结合一个用高频15-150KHZ点燃的全电子化的金属卤化物灯用电子镇流器实施例及附图进一步说明本实用新型的技术。
图1是本实用新型采用无源功率因数校正的大功率高强度气体放电灯用低成本电子镇流器的原理性结构框图。
图2是图1所示大功率高强度气体放电灯用低成本电子镇流器的实施电路图。
图3是本实用新型采用有源功率因数校正的大功率高强度气体放电灯用低成本电子镇流器的原理性结构框图。
图4是图3所示大功率高强度气体放电灯用低成本电子镇流器的实施电路图。
参见图1，图中示出本实用新型大功率高强度气体放电灯用低成本电子镇流器的原理性结构，由三大单元电路连接构成包括由低通滤波电路1及二极管桥式整流电路2连接构成的直流电源电路；由无源功率因数校正电路3、脉宽调制(PWM)斩波电路4、电压取样反馈电路7和斩波电路的自供电电路8连接构成的包括恒流驱动电路的功率因数校正电路(PPFC)；和由直流至交流(DC/AC)的逆变电路5、振荡启动电路9和镇流点灯电路6连接构成的谐振输出电路。
结合参见图2，低通滤波电路1由压敏电阻VR1、电容C1、C2、C3和共模线圈L1连接构成，对输入的电网电压进行滤波。由二极管D1至D4连接构成二极管桥式整流电路(2)，完成交流至直流(AC/DC)的变换(输出约300V直流)。
由二极管D5至D7、电阻R1及电解电容C4、C5连接构成无源功率因数校正电路(3)，用于提高对电网的利用率和降低对电网的干扰，采用的是典型的无高频能量反馈的逐流电路(若包括高频能量反馈部分，虽成本增加不多，但会使其后级MOS开关管的温升提高，将不利于电子镇流器的正常使用)，使功率因数很容易达到0.95以上。本实用新型采用无源功率因数校正电路时，可达到H级标准。
由集成单端电流反馈型脉宽调制电路芯片IC1(UC3842)及其外围元件、MOS开关管TR1和变压器T1连接构成脉宽调制斩波电路(4)。电阻R5及光电耦合器IC2连接构成电压取样反馈电路(7)。电阻R3及电容C7连接构成斩波电路的自供电电路(8)，与脉宽调制电路芯片IC1的电源脚7连接。IC1的4、8脚连接电阻R1及电容C8，形成RC振荡。电压取样反馈电路7将后级-谐振输出电路的电压变化情况及时反馈给脉宽调制电路芯片IC1的反向输入端，即从2脚进入IC1内部，与其基准电压进行比较，脉宽调制电路芯片IC1的6脚输出比较后的信号以直接驱动MOS开关管TR1，当MOS开关管TR1关闭时，由二极管D10提供放电回路。恒流(或称恒功率)驱动电路采用接地点悬浮驱动电路，即驱动用的IC1、MOS开关管TR1及变压器T1的付线圈共地连接，但与变压器T1的主线圈及谐振输出电路之间无共地连接，用光电耦合器IC2作隔离并取样反馈以保持IC1有稳定的恒流驱动，从而保证了电子镇流器的恒功率输出特性。电路设计中，IC1的输出可直接驱动MOS开关管TR1，大大减小了MOS开关管TR1的温升，MOS开关管TR1在100V左右的输出电压环境下工作，可靠性也大大提高。实施例所采用的脉宽调制电路芯片IC1，外围电器元件少，价格低且有过电流保护功能。本实用新型采用以脉宽调制斩波电路为核心的恒流驱动电路为其后级的谐振输出电路提供了稳定的工作电源。图中电阻R8用于过流保护。
由电阻R9、稳压管D11连接构成振荡启动电路(9)，图中电容C12有平滑滤波作用，为直流至交流的逆变电路(5)提供初始启动电流。MOS开关管TR2、TR3、电阻R10、R11、变压器T2、电感器L2和电容器C13连接构成直流至交流(DC/AC)的逆变电路(5)，产生高频正弦波信号，变压器T2包括有两个串连连接的主线圈及两个串连连接的付线圈，匝比关系可设计为10∶1，由于工作在高频(15-150KHz)状态，因此变压器T2的尺寸可大为缩小。由变压器T2及电容C14连接构成镇流点灯电路(6)，变压器T2产生的谐振高频高压(峰到峰800至1000V)为金属卤化物灯提供了足够高的启辉电压及稳定的镇流电压(200V)，由电容C14提供给金属卤化物灯的是一个不变的电流，因而无闪烁现象存在。本实用新型逆变电路的实施电路采用串联谐振，无任何外接电路的驱动，就能可靠起辉金属卤化物灯，由于工作电压为200V，所以MOS开关管TR2、TR3的管损耗不大，温升极低。
参见图3、图4，与图1、图2所示实施例的不同之处是功率因数校正单元采用有源功率因数校正及其恒流驱动。包括由低通滤波电路及二极管桥式整流电路连接构成的直流电源电路31(同图1中的1)；由包括恒流驱动电路的有源功率因数校正电路32和自供电电路33连接构成的功率因数校正电路(APFC)；和由直流至交流(DC/AC)的逆变电路34、振荡启动电路35和镇流点灯电路36连接构成的谐振输出电路(同图1中的5、9、6)。
含有恒流驱动电路的有源功率因数校正电路32，也为接地点悬浮式电路，由集成功率因数校正芯片IC1(LM4813)、MOS开关管TR1和隔离变压器T1连接构成，与隔离变压器T1的次线圈连接的二极管D8、D9和电容C7构成自供电电路(33)。集成功率因数校正芯片IC1的7脚连接基准电压，8脚连接来自变压器T1主线圈的反馈电压，12脚为输出端，恒流驱动MOS开关管TR1，利用TR1关断时T1主线圈的反电势作用而逆程升压。电阻R9、电容C8形成RC振荡。IC1的1脚连接电阻R11、R12，起过流保护作用。采用有源功率因数校正电路(APFC)，可达到L级标准，且电路结构进一步简化。
本实用新型的电子镇流器除可与金属卤化物灯配套使用外，还可与陶瓷卤化物灯、汞灯、钠灯等配套使用。
权利要求1．一种大功率高强度气体放电灯用低成本电子镇流器，其特征在于包括直流电源电路、功率因数校正电路和谐振输出电路；所述的直流电源电路、功率因数校正电路及谐振输出电路顺序连接。
2．根据权利要求1所述的一种大功率高强度气体放电灯用低成本电子镇流器，其特征在于所述的直流电源电路由低通滤波电路连接二极管桥式整流电路构成，完成交流至直流的变换。
3．根据权利要求1所述的一种大功率高强度气体放电灯用低成本电子镇流器，其特征在于所述的功率因数校正电路由无源功率因数校正电路和接地点悬浮的驱动电路连接构成；所述的无源功率因数校正电路由电容、电阻、二极管连接构成，所述的接地点悬浮的驱动电路由脉宽调制(PWM)斩波电路、斩波电路的自供电电路和电压取样反馈电路连接构成；所述斩波电路的自供电电路连接所述的无源功率因数校正电路及所述的脉宽调制(PWM)斩波电路；所述电压取样反馈电路连接在所述脉宽调制(PWM)斩波电路的输出与输入端间，所述的无源功率因数校正电路还连接脉宽调制(PWM)斩波电路。
4．根据权利要求3所述的一种大功率高强度气体放电灯用低成本电子镇流器，其特征在于所述斩波电路的自供电电路由电阻和电容连接构成；所述的脉宽调制(PWM)斩波电路由集成单端电流反馈型脉宽调制电路芯片、MOS开关管和隔离变压器连接构成；所述的电压取样反馈电路是一光电耦合电路；集成单端电流反馈型脉宽调制电路芯片的输出端连接MOS开关管的输入端，MOS开关管的输出端连接隔离变压器的次级线圈，隔离变压器的次级线圈还连接所述光电耦合电路的输入侧及所述的谐振输出电路，隔离变压器的初级线圈连接所述斩波电路的自供电电路，所述光电耦合电路的输出侧连接所述集成单端电流反馈型脉宽调制电路芯片的反向输入端；所述的集成单端电流反馈型脉宽调制电路芯片、MOS开关管和隔离变压器付线圈共地连接，与所述隔离变压器的主线圈及所述的谐振输出电路间无共地连接。
5．根据权利要求1所述的一种大功率高强度气体放电灯用低成本电子镇流器，其特征在于所述的功率因数校正电路包括顺序连接的有源功率因数校正电路、接地点悬浮的恒流驱动电路和分别连接有源功率因数校正电路及接地点悬浮的恒流驱动电路的自供电电路。
6．根据权利要求5所述的一种大功率高强度气体放电灯用低成本电子镇流器，其特征在于所述的有源功率因数校正电路、接地点悬浮的恒流驱动电路由集成功率因数校正芯片、MOS开关管、隔离变压器连接构成；集成功率因数校正芯片的输出端连接MOS开关管输入端，MOS开关管输出端连接隔离变压器的主线圈一端及集成功率因数校正芯片的反馈电压输入端，隔离变压器的主线圈另一端连接所述的直流电源电路，隔离变压器的付线圈通过所述的自供电电路连接集成功率因数校正芯片的电源端，集成功率因数校正芯片的基准电压输入端通过基准电压电路连接所述的直流电源电路，隔离变压器的主线圈两端连接所述的谐振输出电路；所述的集成功率因数校正芯片、MOS开关管和隔离变压器付线圈共地连接，与所述隔离变压器的主线圈及所述的谐振输出电路间无共地连接。
7．根据权利要求1所述的一种大功率高强度气体放电灯用低成本电子镇流器，其特征在于所述的谐振输出电路包括直流至交流(DC/AC)的逆变电路、振荡启动电路和镇流点灯电路；所述的振荡启动电路输出连接直流至交流(DC/AC)的逆变电路，直流至交流(DC/AC)的逆变电路输出连接所述的镇流点灯电路；所述恒流驱动电路的输出连接振荡启动电路及直流至交流(DC/AC)的逆变电路。
8．根据权利要求1或7所述的一种大功率高强度气体放电灯用低成本电子镇流器，其特征在于所述的直流至交流(DC/AC)逆变电路和镇流点灯电路，包括有源极互相连接的第一MOS开关管、第二MOS开关管、分别与第一、第二MOS开关管的栅极连接的第一电阻及第二电阻、电感器、电容器和变压器；所述的变压器具有两个串连连接的主线圈和两个串连连接的付线圈，两个串连连接的付线圈一端分别连接第一电阻及第二电阻，两个串连连接的主线圈分别连接第一、第二MOS开关管的漏极，所述的电容器并接在两个串连连接的主线圈间并连接气体放电灯，所述的电感器串接在所述的振荡启动电路与两个串连连接的主线圈的串接点之间，所述的两个串连连接的付线圈的串接点连接所述的振荡启动电路。
9．根据权利要求1或7所述的一种大功率高强度气体放电灯用低成本电子镇流器，其特征在于所述的直流至交流(DC/AC)逆变电路，输出的是高频振荡的正弦波，工作频率为15至150KHz。
专利摘要本实用新型涉及一种大功率高强度气体放电灯用低成本电子镇流器,由三大单元电路顺序连接构成,包括:由低通滤波电路及二极管桥式整流电路连接构成的直流电源电路;功率因数校正电路;和由直流至交流的逆变电路、振荡启动电路和镇流点灯电路连接构成的谐振输出电路。其中的功率因数校正电路可采用接地悬浮的无源(PPFC)或有源(APFC)功率因数校正电路,为后级电路提供恒流驱动。结构简单、体积小、成本低、可靠性高。
文档编号H05B41/14GK2438295SQ00246388
公开日2001年7月4日 申请日期2000年8月14日 优先权日2000年8月14日
发明者郑连东, 李名酉, 苏博周 申请人:北京宝利发电子技术有限责任公司, 李名酉