专利名称：脉冲启动电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种脉沖启动方法和电路，用来为用于启动气体^L电 (例如高强度放电(HID))灯的高压变压器的初级绕组输送脉冲。
技术背景气体放电灯通常使用镇流器电路来将AC线电压转换为低频双向 电压。镇流器电路包括用来将AC线电压转换为DC电压的变频器，和 将DC电压转换成低频双向电压的逆变器。逆变器可以采取串联半桥或 者全桥的形式连接至DC电压母线。此外，可以提供脉冲启动电路以冷启动气体方文电灯。点亮HID灯的一种方法和电路是如图3所示的电路。如图4所示， 在从双向矩形波形1/2周期的上升沿52开始的一个延迟之后，该电路 提供了高压脉冲50。高压脉冲50启动之前的时间延迟由图3的RC电 路来确定。通过在每个双向矩形波形的1/2周期期间提供高压脉冲50， 使电灯点亮。上述方法和电路的缺点是，图3的电路不能在提供灯正常操作期 间的有效脉冲启动电路的同时，在每个双向矩形波形的1/2周期开始处 提供高压脉沖50。在双向矩形波形的1/2周期的开始处提供高压脉冲， 以在双向矩形波形的1/2周期改变极性之前为电极加热提供了相对更 长的时间。电极的温度增加将提供溅射的减少。图3的电路效率低与R140有关。具体来讲，R140必须降低至使 得该电路能够在双向矩形波形的1/2周期开始附近产生高电压脉冲的 较小值。通过将R1 40降低为较小值，该脉冲启动电路在气体放电灯 的正常操作期间将汲取较高电流和功率，因此效率更低。因而，需要一种效率改善的脉沖启动方法和电路来启动气体放电灯。
发明内容
根据本公开的一个实施例，提供了一种用于气体放电灯的镇流器。该镇流器包括DC电压母线；全桥逆变器电路，包括DC电压母 线输入以及双向电压输出电路，该双向电压输出电路生成交替半周期 的双向电压，并且全桥逆变器电路的DC电压母线输入连接至DC电压 母线输出。此外，还提供了启动电路，该启动电路在每个交替半周期 的上升沿处生成脉冲，并且该脉冲的极性与每个交替半周期的极性相 同。
图1示出了根据本公开的一个实施例的镇流器电路。图2示出了图1所示镇流器电路所产生的交替半周期的双向电压。图3示出了现有技术的镇流器电路。图4示出了图3的电路所产生的现有技术的电压波形。
具体实施方式
正如在背景部分简单讨论的那样，可以利用脉冲启动电路来提供 气体》文电灯的冷启动。在点亮之前，与低频电压方波相关的脉冲位置是很重要的。该位 置确定了在极性反转之前电极导电多长时间。极性反转使每个电极所 起的作用(即该电极是阴极还是阳极)相反。当该电极是阴极时，它 向等离子体发射电子，随后失去热离子发射所需的温度。没有足够高 的温度，那么作为阴极操作的电极可能将钨溅射到弧形管壁上，从而 使灯的亮度输出降低。当该电极作为阳极工作时，它可以从加速电子 中吸收热。因此，在气体击穿之后，重要的是在电极极性改变之前等 待尽可能长的时间。这在该阳极承担阴极的作用之前为该阳极加热提 供了最大的时间。因此，可使得鴒溅射最小。图1示出的脉沖启动电路在从冷启动来启动气体放电灯时提供了 减少的溅射，并且在电灯达到击穿和对电流进行调整之后在导电模式 中提供了接近为零的功率耗散。通过图1的镇流器电路实现了溅射的 减少，这是因为该示例电路产生了图2示出的电压波形30。参考图2， 在镇流器的双向交流电压输出Vc的每1/2周期上升沿34处出现的脉冲 32在每个1/2周期的开始处为电灯电极提供了能量。出现在方波上升 沿处的脉冲32，使得一个完整的导电半周期可以在双向交流电压输出 改变极性之前产生最大的阳极温度，从而减少'减射。在双向交流电压 1/2周期的上升沿34处产生脉冲32，以在双向电压1/2周期内为电极 温度增加提供了更多的时间，从而相对于随后出现在双向电压1/2周期 内的类似脉冲，该脉冲32提供了溅射的减少。图1示出的是生成了上述图2的电压波形的电路。参考图1，说明 根据该公开的一个实施例的镇流器电路1。 DC电压母线2生成DC电 压，并连接至镇流器的全桥逆变器电路。DC电压母线2根据本领域技 术人员公知的实施例和方法进行操作。Nerone的美国专利No. 5,406， l77以及Nerone等人的美国专利5，9M，7卯提供了在根据该公开实施例 的镇流器电路内使用的DC电压母线电路的实例。Nerone的美国专利 No. 5,406， 177以及Nerone等人的美国专利5,952,790以引用方式全部 包含在此。全桥逆变器电路包括晶体管Ql 6、 Q2 8、 Q3 10和Q4 12。对于 期望的双向交流电压输出的该1/2周期，控制电路13进行操作以同时 为Ql 6和Q4 12提供栅电压。该栅电压使Ql 6和Q4 12切换至导电状 态，该导电状态提供了 DC母线电压Vc来驱动电灯14。在期望的双向 交流电压输出的随后1/2周期期间，控制电路进行操作，以对于该1/2 周期为Q2 8和Q3 10提供栅电压。该栅电压使Q2 8和Q3 10切换至导 电状态，该导电状态提供了负DC母线电压Vc来驱动电灯14。反复切 换Ql 6和Q4 12然后是Q2 8和Q3 10的结果就生成了其幅值近似等于 DC电压母线的双向交流电压输出。电灯启动电路包括具有初级绕组26和次级绕组28的变压器Tl 16、硅对称二端开关元件(sidac) Sl 18、 二极管Dl 20、电阻器R121、 限流电阻器R2 22以及充电电容器C124。在图1中示出了这些部件的 互连。在全桥逆变器电路循环了数次之后，大约1-10次，在冷灯14开 始电灯操作的阶段，在Ql 6和Q4 12导电状态期间，通过二极管Dl 20、 电阻器Rl 21和电阻器R2 22对Cl 24进行充电。珪对称二端开关元件 Sl 18并不导电，直到超过其击穿电压。将该击穿电压选择为最小DC 母线电压的大约2倍。例如，选择720伏的击穿电压，即选择三个240 伏的串联连接的硅对称二端开关元件来根据450伏的母线操作。尽管 并非刚好为DC母线电压的两倍，但三个硅对称二端开关元件的组合击 穿电压大约为720伏。将在下面进行说明电阻器R2 22比电阻器R1 21小很多的原因。电 阻器R1 21通常具有近似等于2M欧姆的值。电阻器R1 21限制了初始 的Q16和Q4 12导电状态期间电容器C1 24所聚集的电荷量，但不会 达到整个DC母线电压。在随后的初始的Q2 8和Q3 10导电状态期间， 电流将不通过Cl 24进行传导，这是因为二极管Dl 20阻挡了流经电阻 器Rl 21的电流，跨过硅对称二端开关元件Sl 18的电压就不足以击穿 硅对称二端开关元件S118。因此，跨过电容器C124的电压并未从前 面初始的Q16和Q4 12导电状态期间提供的电压发生很大改变。在随 后的Ql 6和Q4 12导电状态期间，电容器C124继续充电，最终充电 至能够使硅对称二端开关元件Sl 18击穿的电压。在电容器Cl 24在Ql导电状态期间，发生硅对称二端开关元件S1 18的击穿。跨过硅对称二 端开关元件Sl 18的电压等于除跨过电容器Cl 24的电压之外的DC母 线电压。跨过硅对称二端开关元件Sl 18的总电压可以大约为DC母线 电压的两倍。因此，例如如果母线电压是450伏而硅对称二端开关元 件Sl 18击穿电压为720伏，则那么致使在极性反转期间产生高压脉冲的方波转变期间的某时，硅对称二端开关元件将会激发。这使得在转 变时跨过电灯产生高压负脉沖并获得电极的最大预热时间，使电灯应 该在即将到来的1/2周期期间点亮。硅对称二端开关元件S118的击穿 生成了跨过变压器的初级绕组Tla 26的电压，该电压经过变压器的次 级绕组28在灯输入处产生了高的负电压Vp。在Q28和Q3 IO的导电状态期间，在硅对称二端开关元件S1 18 已经初始击穿了之后，电容器Cl 24经过硅对称二端开关元件Sl 18放 电，在Q2 8和Q3 IO导电状态的一个周期内充电为负DC总线电压。 在随后的Ql 6和Q4 12的导电状态期间，跨过珪对称二端开关元件Sl 18的电压将接近DC总线电压的两倍，从而使得硅对称二端开关元件 S118击穿，并在电灯输入处产生高压Vp。在该Q16和Q4U的导电 状态期间，电容器C124将经过硅对称二端开关元件S118放电，并充
电至负DC总线电压。该周期继续重复，从而在没有延迟的情况下，在 每个交替半周期的上升沿处生成包括叠加脉冲的交替半周期的双向电 压，所述脉冲的极性与每个交流周期的极性相同。与该充电模式相关 的能量转换的幅度数量级比经过二极管Dl 20发生的能量转换更快。 这就是为什么与电阻器Rl 21相比，选择了相对较小的电阻器R2 22 的原因。由于电阻器R2 22主要用做阻尼元件，因此选择了其特别值 来调节跨过次级绕组28的点火脉冲的形状。在灯14击穿并对电流进行调节之前，启动电路连续操作，从而使 得DC母线电压大大降低(例如25伏)。经过二极管D120、电阻器R1 21和电阻器R2 22将启动电路充电电容器Cl 24充电至降低后的母线 电压。因为跨过硅对称二端开关元件Sl 18的电压根本未达到击穿电 压，因此启动电路没有触发脉沖并且保持停用，直至关闭电灯14然后 再开启，从而增加DC母线电压并如描述的那样重新启动脉冲启动电 路。当启动电路没有触发时，本公开的脉冲启动电路在灯14的正常操 作期间提供了大约为零的功率耗散。因为二极管Dl 20防止电容器Cl 24经过电阻器R2 22和电阻器R1 21放电，因此实现了大约为零的功 率耗散。已经参考示例实施例对本公开进行了描述。明显的是，在阅读了 前面详细的描述之后，本领域技术人员将会想到很多修改和变型。应 当把该公开理解为包括所有这些修改和变型。
权利要求
1.一种用于气体放电灯的镇流器，包括包括正连接点和负连接点的DC电压母线；全桥逆变器电路，包括DC电压母线输入以及具有第一和第二输出连接点的双向电压输出电路，所述双向电压输出电路生成交替半周期的双向电压，并且所述全桥逆变器电路的DC电压母线输入连接至DC电压母线输出；和包括输入和输出的启动电路，启动电路的输入连接至全桥逆变器电路，所述启动电路在每个交替半周期的上升沿处生成脉冲，并且所述脉冲的极性与每个交替半周期的极性相同。
2. 根据权利要求l所述的镇流器，所述启动电路进一步包括 包括初级绕组(Tla)和次级绕组(Tlb)的变压器，所述初级绕组(Tla)包括第 一和第二连接点，且所述次级绕组(Tlb)包括第 一和第二连接点， 所述初级绕组(Tla)的第一连接点连接至所述次级绕组(Tlb)的第一连接 点和所述双向电压输出的第一输出连接点；包括第一和第二连接点的硅对称二端开关元件(Sl)，该第一连接点 连接至所述变压器初级绕组(Tla)的第二连接点；二极管(Dl)，阳极连接至所述变压器初级绕组(Tla)的第一连接点；包括第一和第二连接点的第一电阻器(Rl)，该第一连接点连接至二 极管(Dl)的阴极；包括第一和第二连接点的第二晶体管(R2)，该第一连接点连接至硅 对称二端开关元件(SI)的第二连接点和第一电阻器(Rl)的第二连接 点；包括第一和第二连接点的电容器(C1)，该第一连接点连接至第二电 阻器(R2)的第二连接点，电容器(CI)的第二连接点连接至双向电压 输出的第二输出连接点。
3. 根据权利要求2所述的镇流器，其中一个或更多正半周期的双向 电压最初将所述电容器(CI)充电至大约等于正半周期的双向电压的电 压；与跨过所述电容器(CI)的电压结合的随后负半周期的双向电压生 成了足够的电压使所述硅对称二端开关元件(SI)击穿，并在负半周期 的上升沿处产生了脉冲，所述负半周期将电容器(CI)充电至大约等于负半周期的双向电压的电压；并且与跨过所述电容器(Cl)的电压结合 的随后正半周期的双向电压产生了足够的电压使所述硅对称二端开关元 件(Sl)击穿，并在正半周期的上升沿处生成了脉冲。
4. 根据权利要求2所述的镇流器，其中所述硅对称二端开关元件的 击穿电压为DC电压母线的最小电压的大约两倍。
5. 根据权利要求2所述的镇流器，其中所述变压器包括大约20: 1 的转折比，DC电压母线大约等于450伏，硅对称二端开关元件(Sl)击 穿电压等于大约720伏，第一电阻器值大约为2M欧姆，第二电阻器值 大约为IO欧姆，电容器(Cl)的值大约为100nF。
6. 根据权利要求5所述的镇流器，所述全桥逆变器电路进一步包括第一、第二、第三和第四晶体管，每个晶体管包括栅极、源极和漏极，所述第一晶体管漏极连接至所述第二晶体管漏极和所述DC电压母 线正连接点，所述第一晶体管源极连接至所述启动电路的第一连接点和所述第三 晶体管漏极，所述第二晶体管源极连接至所述第四晶体管漏极和所述启动电路的第二连接点，并且所述第三晶体管源极连接至所述第四晶体管源极和所述DC电压母 线负连接点。
7. 根据权利要求6所述的镇流器，所述全桥逆变器电路进一步包括控制电路，所述控制电路连接至第一晶体管栅极、第二晶体管栅极、 第三晶体管栅极和第四晶体管栅极，其中对于第一半周期，所述控制电 路将电压同时施加至第一晶体管栅极和第四晶体管栅极，而对于第二半 周期，将电压同时施加至第二晶体管栅极和第三晶体管栅极。
8. 根据权利要求1所述的镇流器电路，所述全桥逆变器电路进一步 包括第一、第二、第三和第四晶体管，每个晶体管包括栅极、源极和漏极，所述第一晶体管漏极连接至所述笫二晶体管漏极和所述DC电压母 线正连接点，所述笫一晶体管源极连接至所述启动电路的第一连接点和所述第三 晶体管漏极，所述第二晶体管源极连接至所述笫四晶体管漏极和所述启动电路的 第二连接点，并且所述第三晶体管源极连接至所述第四晶体管源极和所述DC电压母 线负连接点。
9. 根据权利要求8所述的镇流器，所述全桥逆变器电路进一步包括控制电路，所述控制电路连接至第一晶体管栅极、第二晶体管栅极、第三晶体管栅极和第四晶体管栅极，其中对于第一半周期，所述控制电 路将电压同时施加至第一晶体管栅极和第四晶体管栅极，而对于第二半周期，将电压同时施加至第二晶体管栅极和第三晶体管栅极。
10. 根据权利要求9所述的镇流器，所述启动电路进一步包括置。
11. 一种用于气体放电灯的镇流器，包括 用于生成包括正连接点和负连接点的DC电压母线的装置； 用于生成交替半周期的双向电压的装置；和用于在每个交替半周期的上升沿处生成了脉冲的装置，并且所述脉 沖的极性与每个交替半周期的极性相同。
12. 根据权利要求11所述的镇流器，所述用于生成脉冲的装置进一 步包括包括初级绕组(Tla)和次级绕组(Tlb)的变压器，所述初级绕组(Tla) 包括第 一和笫二连接点，且所述次级绕组(Tlb)包括第 一和第二连接点， 所述初级绕组(Tla)的第一连接点连接至所述次级绕组(Tlb)的第一连接点和所述双向电压输出的第一输出连接点；包括第一和第二连接点的硅对称二端开关元件(Sl)，该第一连接点连接至所述变压器初级绕组(Tla)的第二连接点；二极管(Dl)，阳极连接至所述变压器初级绕组(Tla)的第一连接点；包括第一和笫二连接点的第一电阻器(Rl)，该笫一连接点连接至二 极管(Dl)的阴极；包括第一和第二连接点的第二晶体管(R2)，该笫一连接点连接至硅 对称二端开关元件(Sl)的第二连接点和第一电阻器(Rl)的第二连接 点；电容器(Cl)包括第一和第二连接点，该第一连接点连接至第二电 阻器(R2)的第二连接点，电容器(Cl)的第二连接点连接至双向电压 输出的第二输出连接点。
13. 根据权利要求12所述的镇流器，其中所述用于生成脉冲的装置 进一步包括一个或更多正半周期的双向电压最初将所述电容器(Cl)充电至大 约等于正半周期的双向电压的电压；随后负半周期的双向电压与跨过所 述电容器(Cl)的电压结合以产生足够的电压使所述硅对称二端开关元 件(S1)击穿，并在负半周期的上升沿处产生了脉冲，所述负半周期将 所述电容器(Cl)充电至大约等于负半周期的双向电压的电压；并且随 后正半周期的双向电压与跨过所述电容器(Cl)的电压结合产生了足够 的电压使所述硅对称二端开关元件(Sl)击穿，并在正半周期的上升沿 处生成了脉冲。
14. 根据权利要求12所述的镇流器，其中所述变压器包括大约20: 1的转折比，DC电压母线大约等于450伏，硅对称二端开关元件(Sl) 击穿电压等于大约720伏，第一电阻器值大约为2M欧姆，第二电阻器 值大约为IO欧姆，电容器(Cl)的值大约为100nF。
15. 根据权利要求14所述的镇流器，所述用于生成交替半周期的双 向电压的装置进一步包括第一、第二、第三和第四晶体管，每个晶体管包括栅极、源极和漏极，所述第一晶体管漏极连接至所述第二晶体管漏极和所述DC电压母 线正连接点，所述第 一 晶体管源极连接至所述启动电路的第 一连接点和所述第三 晶体管漏极，所述第二晶体管源极连接至所述第四晶体管漏极和所述启动电路的第二连接点，并且所述第三晶体管源极连接至所述第四晶体管源极和所述DC电压母 线负连接点。
16. 根据权利要求15所述的镇流器，所述用于生成交替半周期的双 向电压的装置进一步包括控制电路，所述控制电路连接至第一晶体管栅极、第二晶体管栅极、 第三晶体管栅极和第四晶体管栅极，其中对于第一半周期，所述控制电 路将电压同时施加至第一晶体管栅极和第四晶体管栅极，而对于第二半 周期，将电压同时施加至第二晶体管栅极和第三晶体管栅极。
17. 根据权利要求11所述的镇流器电路，所述用于生成交替半周期 的双向电压的装置进一步包括笫一、第二、笫三和笫四晶体管，每个晶体管包括栅极、源极和漏极，所述第一晶体管漏极连接至所述第二晶体管漏极和所述DC电压母 线正连接点，所述第一晶体管源极连接至所述启动电路的第一连接点和所述第三 晶体管漏极，所述第二晶体管源极连接至所述第四晶体管漏极和所述启动电路的第二连接点，并且所述第三晶体管源极连接至所述第四晶体管源极和所述DC电压母线负连接点。
18. 根据权利要求17所述的镇流器，所述用于生成交替半周期的双 向电压的装置进一步包括控制电路，所述控制电路连接至第一晶体管栅极、第二晶体管栅极、 第三晶体管栅极和第四晶体管栅极，其中对于第一半周期，所述控制电 路将电压同时施加至第一晶体管栅极和第四晶体管栅极，而对于第二半 周期，将电压同时施加至第二晶体管栅极和第三晶体管栅极。
19. 一种操作镇流器电路的方法，包括 生成DC电压母线；根据DC电压母线生成交替半周期的双向电压；和 在每个交替半周期的上升沿处生成脉冲，所述脉冲的极性与每个交替半周期的极性相同。
20.根据权利要求19所述的操作镇流器电路的方法，进一步包括: 使用所述双向电压和所述脉冲来驱动电灯。
全文摘要
公开了一种用于气体放电灯的电灯镇流器启动电路和方法。该镇流器启动电路包括连接至逆变器电路的启动电路输入，该启动电路在逆变器电路输出的每个交替半周期的上升沿处生成了脉冲，并且脉冲的极性与逆变器电路输出的每个交替半周期的极性相同。该启动电路的输出用来启动气体放电灯。
文档编号H05B41/04GK101151941SQ200680010279
公开日2008年3月26日 申请日期2006年3月22日 优先权日2005年3月31日
发明者L·R·内罗内, L·S·伊利耶斯 申请人:通用电气公司