专利名称：灯驱动电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种灯驱动电路，更具体来说涉及一种正向换向灯驱 动电路。
背景技术：
一种用于气体放电灯(比如高强度放电(HID)灯，但不限于此) 的灯驱动电路用来给所述气体放电灯馈送所期望的电流以及从诸如AC 电压源之类的主电压源接收功率本身。在传统上，这种灯驱动电路包 括三级用于把AC输入电压变换成更高的DC输出电压的整流器和上 变换器、用于把所述DC电压变换成较低电压但是更高电流的下变换器 (正向变换器)以及最后是用于在相对较低的频率下切换用于所述灯的 DC电流的换向器。在更近的设计中，最后两级(即所述下变换器和所 述换向器)已经被集成到单一级中，其被称作正向换向级。
可以在半桥正向换向(HBCF)拓朴中或者在全桥正向换向(FBCF) 拓朴中具体实现正向换向灯驱动电路。因此，这种正向换向级总是具 有至少一条包括两个串联连接的功率开关元件(比如MOSFET开关)的
链，其中把将被驱动的气体放电灯耦合到所述两个开关元件之间的节 占
在气体放电灯中，特別在较低功率的金属卤素气体放电灯中，所 述灯电流的换向速度必须很高。如果换向较慢，则所述灯的电极的温 度可能由于所述电极的热时间常数较低而在换向期间降低太多，并且 阴极相中的瞬时热离子发射将受到抑制。这可能会导致换向之后的高 灯电压峰值、电极的退化以及灯熄灭。
US 2005/0062432 Al公开了 一种用于操作高压放电灯的设备，其 包括用于控制至少一个功率开关元件的控制装置，所述控制装置在该 至少一个功率开关元件的接通及关断状态下对其进行控制，以便控制 被提供给所述高压放电灯的功率或电流。所述控制装置被适配成通过 控制所述至少一个功率开关元件的接通状态的接通时间(Ton)来控制 由所述灯所消耗的功率。US 2005/0269969 Al公开了 一种用于气体放电灯的驱动器，其中 感测灯电路电流以便在所述灯电路电流过零时开关所述驱动器的功率 开关元件。过零传感器包括一个小变压器，其初级绕组与所述灯电流 串联。所述小变压器在相对较小的初级电流下已然饱和，并且在接近 电流过零时脱离饱和，从而在所述变压器的次级绕组处提供信号以便 控制所述功率开关元件。
发明内容
期望具有一种正向换向灯驱动电路以及一种用于操作气体放电灯
的相应方法，其中可以使得灯电流换向非常快。
本发明的一方面提供一种根据权利要求1或3的灯驱动电路。 本发明的另一方面提供一种根据权利要求6或8的操作气体放电
灯的方法。
根据本发明的灯驱动电路和气体放电灯操作方法实现了所述灯电 流的非常快速的换向。这种快速换向防止具有较小的热时间常数的所 述灯的电极的温度降低过多，因为这将导致所述阴极相中的所述电极
的瞬时热离子发射停止。
控制所述开关设备(比如M0SFET)，从而在所述换向周期的第一 和第二间隔(例如第一半和第二半)的开头处分别延伸所述第一开关 设备被导通的时间周期和所述第二开关设备被导通的时间周期，这样 做可以实现所述灯电流的换向速度的提高。或者，可以控制所述开关 设备，从而在所述换向周期的第一和第二间隔(例如第一半和第二半) 的末尾处分别延伸使得所述第一开关设备不导通的时间周期和使得所 述第二开关设备不导通的时间周期，以便实现所述灯电流的换向速度 的提高。
所述控制电路可以接收来自电流感测电路的输出信号，以便检测 流经逆变器电感的逆变器电感电流何时过零，从而确定使得某一开关 设备导通的时间。但是也可以在所述气体放电灯的控制中使用以硬件 或软件或全部二者实现的其他控制方案来实现本发明。
下面将参照附图更加详细地阐述本发明，在附图中示出了非限制性的实施例，其中
图1示出了根据本发明的灯驱动器电路的一个示例性实施例的电 路图2示出了电流过零感测电路的一个示例性实施例的电路图；以
及
图3示出了逆变器电感电流、电流过零感测信号以及灯电流的时 序图。
具体实施例方式
在附图中，相同的附图标记指代相同的组件。
图1示出了根据本发明的灯驱动电路10的一个实施例。在该实施 例中，正向换向级是半桥类型。但是本领域技术人员将认识到，在做 出必要修正的情况下，本发明也可以被应用于全桥类型的正向换向设 备。所述灯驱动电路IO包括逆变器电路20和输出电路30。
所述逆变器电路20包括第一开关设备Ql和第二开关设备Q2。如 图中所示，每一个开关设备Q1、 Q2可以是具有主体二极管的MOSFET。 所述开关设备Q1、 Q2受到控制电路40的控制，所述控制电路40耦合 到对应的开关设备Q1、 Q2的栅极G^、 GQ2。所述开关设备Q1、 Q2形成 一个换向电路。所述逆变器电路20还包括逆变器谐振电路，所述逆变 器谐振电路包括逆变器电感Ll以及由电容器C1A、 C1B形成的逆变器 电容C1。所述逆变器谐振电路连接到所述换向电路的节点Pl。箝位电 路包括第一箝位二极管Dl和第二箝位二极管D2， 二者都连接到所述逆 变器谐振电路的节点P2。
所述输出电路30包括输出谐振电路，所述输出谐振电路包括由电 感器L2A、 L2B形成的输出电感L2以及包括输出电容器C2A、 C2B、 C2C 的输出电容C2。所述输出电感L2还可以被具体实现为一个电感器。在 下文中提到输出电感器L2时，其意图指代电感器UA和L28。所述输 出电容器C2A和C2B形成一个分压器，其对电源电压Vs进行分压。所 述输出电容器C2C由灯电容和寄生电容形成并且可以进一步包括点火 电容器。在提到所述输出电容C2时，其意图指代所有三个输出电容器 C2A、 C2B和C2C。所述输出电路30进一步包括两个输出端子01、 02。 气体放电灯L被连接在所述输出端子Ol、 02之间。所述电源电压Vs被提供在所述灯驱动电路10的适当端子处。在 另一个端子处，所述灯驱动电路10接地。因此，电源电压Vs;故施加 在所述灯驱动电路10的输入端子上。
电流感测电路100被适配成感测流经所述逆变器电感Ll的电流 I",以及如线60所示向所述控制电路40提供指示所述电流Iw的过零 的信号。
图2示出了如在US 2005/0269969 Al中所/>开的电流感测电路100 的一个实施例。所述电流感测电路100包括一个小变压器110，其具有 初级绕组111和次级绕组112。所述初级绕组111与所述逆变器电感 Ll串联连接，从而使得所述电流Iw经过所述初级绕组111。第一二极 管113的阳极连接到所述次级绕组112的第一端，并且笫二二极管114 的阳极连接到所述次级绕组112的另一端。所述第一和第二二极管 113、 114的阴极连接在一起并且连接到电阻器115的笫一端子，该电 阻器115的另一端子连接到所述电流感测电路100的第一输出端子 120a。所述电流感测电路100的第二输出端子120b连接到所述次级绕 组112的中心端子。
所述变压器110优选地是环形变压器(但不限于此)，其非常小， 因此即使在流经其初级绕组lll的相对较小的电流Iix下，该变压器110 的铁芯也会饱和。在这种饱和状态下，流经所述初级绕组111的灯电 流的增大或减小将不会导致所述次级绕组112中的任何显著的输出信 号。但是一旦流经所述初级绕組111的电流逼近零，所述变压器110 就脱离饱和，并且能够在其次级绕组112的两端之间生成一个电压峰 值。取决于该电压峰值关于所述中心端子(从而是关于所述第二输出 端子120b)的符号，所述第一二极管113或第二二极管ll4把该电压 峰值经由所述电阻器115导向所述笫一输出端子120a。优选地，把一 个齐纳二极管116连接在所述两个输出端子120a与U0b之间，从而 把所述输出脉冲的电压电平箝位到一个所期望的逻辑值，从而防止所 述第一输出端子120a处的电压升得过高。
在接近所述灯电流的过零处，所述电流感测电路100在其次级绕 组112处提供一个输出脉冲，该输出脉冲基本上与所述初级绕组111 中的电流L的实际过零重合。该电压脉冲的上升沿所处的时间位于所 述实际过零之前。因此，如果所述控制电路40 (图l)被设计成对所述输出脉冲的上升沿做出响应(即该控制电路40由所述输出脉冲的上 升沿触发)，则所述开关设备Q1、 Q2的实际开关时刻可以与所述灯电 流的实际过零精确地重合。
下面将参照图3阐述根据图1的灯驱动电路10的操作。在图3的 时序图中，在稳态操作期间示出了流经所述逆变器电感L1的逆变器电
感电流Ilc。
参照图1和3，所述逆变器电感电流Iix表示由所述逆变器电路20 生成的电源电流。在一个换向间隔内，开关设备Q1作为主开关设备操 作，开关设备Q2作为从属开关设备操作。在后续的一个换向间隔内， 该主/从关系反转。
如图3中所示，在时间t。处，所述控制电路40控制所述主开关设 备Q1切换成导通。该控制的定时是从所述电流感测电路100的输出脉 冲确定的，正如下面将关于图3进一步解释的那样。因此，开始产生 流经所述逆变器电感Ll的电流。该电流增大到电平IA,_。在时间" 处，所述主开关设备Ql被切换成不导通。所述逆变器电感Ll尝试保 持所产生的电流，从而导致流经所述从属开关设备Q2的主体二极管的 续流电流(freewheel current)。
在双MOSFET操作模式下，所述从属开关设备Q2随后纟皮切换成导 通，从而导致流经所述MOSFET的续流电流，并且减小流经从属开关设 备Q2的主体二极管的续流电流。所述续流电流逐渐减小到零，并且随 后反转方向。所述从属开关设备Q2被切换成不导通，并且所述反转的 续流电流在节点Pl处生成所述电压到相反干线电压(rail voltage) 的谐振摆动。因此，在双MOSFET模式下，可以避免使用所述主体二极 管的缺点，所述缺点比如是相对较大的正向损耗以及相对较差的关断 损耗等等。
在时间L处，当所述电流处在电平IA,^下时，所述主开关设备Q1 再次被所述控制电路40切换成导通。正如下面将参照图3进一步解释 的那样，该控制的定时从所述电流感测电路100的另一个输出脉冲确 定。随后可以从时间L开始重复从t。到t2的循环。
因此，在作为一个换向周期的第一半的第一换向间隔A中，所述 逆变器电感电流L以等于所述主开关设备Ql的开关频率的频率在最 小电平L,^与最大电平IA,^之间交变。重复对所述主开关设备Q1的开关直到时间t3为止，该时间t3表示所述第一换向间隔A的末尾。
在时间L处，使得所述第二开关设备Q2成为主设备，并且使得所 述第一开关设备Q1成为从属设备。因此，从时间L开始，所述电流被 换向，并且开始作为一个换向周期的第二半的笫二换向间隔B。在换向 间隔B期间，所迷逆变器电感电流Iu:在最小电平U^与最大电平IB,_ 之间交变。由于所述逆变器电容C1A、 C1B的緩冲以及所述输出电感L2 与所述电弧放电气体放电灯的阻抗相组合的低通滤波，所述逆变器电 感电流Iw中的开关频率信号被减小，并且在所述电平If与Ibin之间 交变的基本上是矩形的电流导致被提供给所述输出端子Ol、 02以及连 接在其间的灯L的灯电流Il。所述低频交变(例如基本上是矩形的) 灯电流It的频率等于被用来把所述第一和第二开关设备Ql、 Q2切换成 主、从设备的频率。该频率可以被称作换向频率。
在这里可以观察到，在其他开关设备驱动方案中，所述低频灯电 流也可能偏离方波形状。
在所述灯电流lL的换向过程中，来自所述电流感测电路100的输 出脉冲与所述逆变器电感电流L的峰值电流合成(其从在图1中的节 点P2与P3之间测量的电压导出)相组合可以通过所述控制电路40提 供对所述电流Iw的控制。
图3示出了来自所述电流感测电路100的电流感测信号Ues。该电
流感测信号Ucs (在该示例性实施例中)示出了在所述逆变器电感电流 Iu:处在零附近时的脉冲。这些脉沖被输出到所述控制电路40，以便控 制将使得所述开关设备Q1、 Q2激活及导通的时间。
在所述灯驱动电路的控制下，恰好在换向之前由所述控制电路40 抑制被包含在所述电流感测信号Ucs中的所述输出脉冲作为一个例子， 在t3之后的输出脉冲被抑制。这使得所述开关设备Q2 (在双MOSFET 操作模式下，在所述第一换向间隔的末尾)保持接通的时间恰好与其 最大的所谓关断时间一样长。所述最大关断时间是一个可以在换向期 间选择的设计参数。因此，所述逆变器电感电流1"变为4艮大的负值。 在所述最大关断时间之后，所述控制电路40中的逻辑被设置成操作在
负灯电流模式下，并且被包含在所述电流感测信号Ucs中的输出脉冲不 再受到所述控制电路40的抑制。随后对于在节点P2与P3之间测量的 电压(其表示所述逆变器电感电流U应用正确的滤波，以便将灯电流波紋保持得可以接受。
在新的换向阶段(如图3中所示从时间13开始)的开头处的较大 的逆变器电感电流L使得节点P2处的电压的改变比现有技术中更快， 这导致所述灯电流L的更快换向。可以4艮容易地获得具有10 ms以下 的上升/下落时间以及低于1.2的波峰因数的灯电流I"作为节点P2 处的快速电压改变的结果，在输出电感L2与所述气体放电灯L的串联 设置两端的电压很快达到一个高值，从而即使在所述灯电压比较高时 也可以把大电流Il提供給所述灯L。这些效应有效地防止气体放电灯 (特别是较低功率金属卤素气体放电灯)在换向期间熄灭。应当注意到， 在把所述输出电感L2具体实现为与所述灯L串联的单一电感器而不是 将其具体实现为多个电感器L2A、 L2B时也可以实现快速换向。
可以认为上面对所述灯驱动电路10的操作的描述提供了使得本领 域技术人员能够选择具有适当的阻抗、电容、电感、电阻等等的组件 的足够信息。应当注意到，适当的换向频率可以大约是100 - 500Hz， 优选地大约是400Hz,并且对应于所述开关设备Ql、 Q2的适当开关频 率可以大约是100kHz。
虽然在这里公开了本发明的详细实施例，但是应当理解，所公开 的实施例仅仅是本发明的示例，其可以用多种方式具体实现。因此， 这里所公开的特定结构和功能细节不应当被解释成进行限制，而仅仅 应当被解释成所附权利要求书的基础以及教导本领域技术人员在几乎 任何适当详细结构中按照各种方式采用本发明的代表性基础。
此外，这里所使用的术语和短语不意图进行限制；而是为了提供 对本发明的可理解的描述。这里所使用的术语"一个"被定义为一个 或多于一个。这里所使用的术语"另一个，，被定义为至少第二个或更 多。这里所使用的术语"包括"和/或"具有，，被定义为包含(即开放 式语言)。这里所使用的术语"耦合"被定义为连接，但不一定是直 接连接，也不一定是通过连线连接。
权利要求
1、一种用于操作放电灯的灯驱动电路(10)，所述灯驱动电路包括用于连接到电压源的输入端子；包括第一开关设备(Q1)和第二开关设备(Q2)的串联设置，其连接所述输入端子；逆变器谐振电路(20，30)，其旁路其中一个所述开关设备并且包括逆变器电感(L1)、逆变器电容(C1)和灯连接端子(01，02)；控制电路(40)，其耦合到所述开关设备的相应的控制电极(GQ1，GQ2)以便生成在换向频率下换向的灯电流(IL)，该控制电路被配置成执行以下操作在换向周期的第一间隔期间，在高于所述换向频率的高频率下使得所述第一开关设备交替地在第一时间周期期间导通并且在第二时间周期期间不导通；在所述换向周期的第二间隔期间，在高于所述换向频率的高频率下使得所述第二开关设备交替地在第三时间周期期间导通并且在第四时间周期期间不导通；以及在所述换向周期的第一间隔的开头处延伸所述第一时间周期，并且在所述换向周期的第二间隔的开头处延伸所述第三时间周期，以便实现所述灯电流的换向速度提高。
2、 根据权利要求l的灯驱动电路，其还包括电流感测电路(IOO)，所述电流感测电路被配置成执行以下操作感测流经所述逆变器电感(Ll)的逆变器电感电流(I");在所述逆变器电感电流过零时，生成到所述控制电路(40)的输出信号信令；所述控制电路被配置成执行以下操作响应于在所述换向周期的第一间隔中并且在所述换向周期的第 一间隔结束之前接收到所述输出信号，使得所述第 一开关设备导通；响应于在所述换向周期的第二间隔中并且在所述换向周期的第二间隔结束之前接收到所述输出信号，使得所述笫二开关设备导通；响应于在所述换向周期的第一间隔的开头处接收到所述输出信号，不使所述第二开关设备导通；以及响应于在所述换向周期的第二间隔的开头处接收到所述输出信号，不使所述第一开关设备导通。
3、 一种用于操作放电灯的灯驱动电路(10)，所述灯驱动电路包括用于连接到电压源的输入端子；包括第一开关设备(Ql)和第二开关设备(Q2)的串联设置，其连接所述输入端子；逆变器谐振电路(20， 30)，其旁路其中一个所述开关设备并且包括逆变器电感(Ll)、逆变器电容(Cl)和灯连接端子(01， 02);控制电路(40)，其耦合到所述开关设备的相应的控制电极(GQ1，GQ2)以便生成在换向频率下换向的灯电流(L)，该控制电路被配置成执行以下操作在换向周期的第一间隔期间，在高于所述换向频率的高频率下使得所述第一开关设备交替地在第一时间周期期间导通并且在第二时间周期期间不导通；在所述换向周期的第二间隔期间，在高于所述换向频率的高频率下使得所述第二开关设备交替地在第三时间周期期间导通并且在第四时间周期期间不导通；以及在所述换向周期的第 一 间隔的末尾处延伸所述笫二时间周期，并且在所述换向周期的第二间隔的末尾处延伸所述第四时间周期，以便实现所述灯电流的换向速度提高。
4、 根据权利要求l的灯驱动电路，其还包括电流感测电路(100),所述电流感测电路被配置成执行以下操作感测流经所述逆变器电感(Ll)的逆变器电感电流(Ilc);在所述逆变器电感电流过零时，生成到所述控制电路(40)的输出信号信令；所述控制电路被配置成执行以下操作响应于在所述换向周期的第一间隔中并且在所述换向周期的第一间隔结束之前接收到所述输出信号，使得所述第一开关设备导通；响应于在所述换向周期的笫二间隔中并且在所述换向周期的第二间隔结束之前接收到所述输出信号，使得所述第二开关设备导通;响应于在所述换向周期的第一间隔的末尾处接收到所述输出信号，不使所述第一开关设备导通；以及响应于在所述换向周期的第二间隔的末尾处接收到所述输出信号，不使所述第二开关设备导通。
5、 根据任一条在前权利要求的灯驱动电路，其中，所述开关设备包括操作在双MOSFET模式下的MOSFET晶体管(Ql， Q2 )。
6、 一种操作气体放电灯的方法，所述方法包括提供第一开关设备(Ql)与第二开关设备(Q2)的串联设置；提供逆变器谐振电路，其旁路其中一个所述开关设备并且包括逆变器电感(Ll)、逆变器电容(Cl)和灯连接端子(01， 02);通过以下操作控制所述开关设备的切换以便生成在换向频率下换向的灯电流(Il):在换向周期的第一间隔期间，在高于所述换向频率的高频率下使得所述第一开关设备交替地在第一时间周期期间导通并且在第二时间周期期间不导通；在所述换向周期的第二间隔期间，在高于所述换向频率的高频率下使得所述第二开关设备交替地在第三时间周期期间导通并且在第四时间周期期间不导通；以及在所述换向周期的第一间隔的开头处延伸所述第一时间周期，并且在所述换向周期的第二间隔的开头处延伸所述第三时间周期，以便实现所述灯电流的换向速度提高。
7、 根据权利要求6的方法，还包括感测流经所述逆变器电感(Ll)的逆变器电感电流(Ilc);在所述逆变器电感电流过零时，生成到所述控制电路(40)的输出信号信令；响应于在所述换向周期的第一间隔中并且在所述换向周期的第一间隔结束之前接收到所述输出信号，使得所述第 一开关设备导通；响应于在所述换向周期的第二间隔中并且在所述换向周期的第二间隔结束之前接收到所述输出信号，使得所述第二开关设备导通；响应于在所述换向周期的笫一间隔的开头处接收到所述输出信号，不使所述第二开关设备导通；以及响应于在所述换向周期的第二间隔的开头处接收到所述输出信号，不使所述第一开关设备导通。
8、 一种操作气体放电灯的方法，所述方法包括 提供第一开关设备(Ql)与第二开关设备(Q2)的串联设置； 提供逆变器谐振电路，其旁路其中一个所述开关设备并且包括逆变器电感(Ll)、逆变器电容(Cl)和灯连接端子(01, 02);通过以下操作控制所述开关设备的切换以便生成在换向频率下换 向的灯电流(Il):在换向周期的第一间隔期间，在高于所述换向频率的高频率 下使得所述第一开关设备交替地在第一时间周期期间导通并且在第二 时间周期期间不导通；在所述换向周期的第二间隔期间，在高于所述换向频率的高频率下使得所述笫二开关设备交替地在第三时间周期期间导通并且在 第四时间周期期间不导通；以及在所述换向周期的第一间隔的末尾处延伸所述第二时间周 期，并且在所述换向周期的第二间隔的末尾处延伸所述第四时间周期，以便实现所述灯电流的换向速度提高。
9、 根据权利要求8的方法，还包括感测流经所述逆变器电感(Ll)的逆变器电感电流(Ilc); 在所述逆变器电感电流过零时，生成到所述控制电路(40)的输 出信号信令；响应于在所述换向周期的第一间隔中并且在所述换向周期的第一 间隔结束之前接收到所述输出信号，使得所述第 一开关设备导通；响应于在所述换向周期的第二间隔中并且在所述换向周期的第二 间隔结束之前接收到所述输出信号，使得所述笫二开关设备导通；响应于在所述换向周期的第一间隔的末尾处接收到所述输出信 号，不使所述第一开关设备导通；以及响应于在所述换向周期的第二间隔的末尾处接收到所述输出信 号，不使所述第二开关设备导通。
全文摘要
本发明涉及一种用于操作放电灯的灯驱动电路(10)，其具有第一和第二开关设备(Q1，Q2)的串联设置，所述串联设置连接电源电压输入端子。一个逆变器谐振电路(20，30)旁路其中一个所述开关设备，并且具有逆变器电感(L1)、逆变器电容(C1)和灯连接端子(O1，O2)。一个控制电路(40)控制所述开关设备，以便生成在换向频率下换向的灯电流(I<sub>L</sub>)。在换向周期的第一间隔期间，所述控制电路在高于所述换向频率的高频率下使得所述第一开关设备交替地在第一时间周期期间导通并且在第二时间周期期间不导通；在所述换向周期的第二间隔期间，所述控制电路在高于所述换向频率的高频率下使得所述第二开关设备交替地在第三时间周期期间导通并且在第四时间周期期间不导通。在所述换向周期的第一和第二间隔的开头处分别延伸所述第一时间周期和第三时间周期，以便实现所述灯电流的换向速度提高。或者，在所述换向周期的第一和第二间隔的末尾处分别延伸所述第二时间周期和第四时间周期，以便实现所述灯电流的换向速度提高。
文档编号H05B41/28GK101461288SQ200780020069
公开日2009年6月17日 申请日期2007年5月29日 优先权日2006年5月31日
发明者E·B·G·尼霍夫, J·P·E·德克里格, M·J·M·巴克斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司