专利名称：高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器及镇流器的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种在点火时作为变压器，点火后作为对流过光源的电流进行限流控制的电感的高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器以及使用该变压器的镇流器。
背景技术：
大功率高压钠灯(HPS)作为传统照明光源已广泛应用于路灯、エ况照明、植物补光等领域，特别是250W至1000W的大功率高压钠灯(HPS)光源，在许多应用领域中仍然具有其它光源产品难以替代的优势，尤其是在光照強度和应用成本方面。随着节能减排及緑色照明的逐步推迸，驱动大功率高压钠灯(HPS)的电子镇流器以其高效节能、体积小、重量轻，特别是大幅度延长光源使用寿命等明显优势，正在越来越多的取代传统的电感镇流器。至今国内外大功率高压钠灯(HPS)的电子镇流器多采用低频方波或者高频谐振驱动方式来驱动光源。现有传统的谐振式大功率半桥和全桥拓扑电子镇流器的工作原理如图I-图3所示，半桥和全桥拓扑始終工作在谐振状态。谐振电感Lo、谐振电容Co和光源Lamp的等效电阻构成电压型串并联谐振电路。对于不同的光源(Lamp)工作状态(点亮和熄灭)，调整桥路的工作频率fs来控制光源(Lamp)的点火和限流。传统的谐振式电子镇流器点火时的特点(I)光源(Lamp)在未点亮时相当于开路状态，光源(Lamp)的等效电阻为无穷大；(2)谐振电感的绕线电阻非常小；(3)谐振电路的品质因数Q值非常大，通常远远大于100 ；(4)光源(Lamp)的启动电压通常大于15KV ；(5)由传统电子镇流器点火时的幅频特性可见，为了达到光源(Lamp)的启动电压(Ignite Line),对应的点火频率(g)非常接近谐振电路的谐振角频率(fo)。传统的谐振式电子镇流器限流工作时的特点(I)光源(Lamp)在点亮后的等效电阻较小，通常小于50欧姆；(2)谐振电路的品质因数Q值较小，通常小于0.5 ;(3)由传统电子镇流器工作时的幅频特性可见，为了达到光源(Lamp)的额定工作电压(Operate Line ),对应的电路工作频率(fs )远低于谐振电路的谐振角频率(fo ),通常为(0. 2 0. 4)倍的谐振角频率(fo)。通过以上对传统谐振式电子镇流器点火时特点和限流工作特点的说明，可见现有大功率半桥和全桥拓扑电子镇流器的点火和点亮后的限流工作状态同时与谐振电路的谐振电感Lo、谐振电容Co、镇流器的工作频率以及光源(Lamp)的状态相关联，由此造成的主要缺点为(I)谐振点火时由于点火频率(fig)非常接近谐振电路的谐振角频率(fo),同时谐振电路工作在非常高之Q值状态，谐振电路中会产生相当大的谐振电流，此谐振电流将对桥路中的功率开关器件造成很大的应カ冲击。(2)为了避免桥路中的功率开关器件在点火时损坏，必须选择大安全工作区的器件，造成电路成本的增加。(3)为了避免桥路中过大的谐振电流，通常需要对点火频率或者点火扫频频率做精准的设定；此外还必须配合谐振桥路的过压保护、过流保护，使得控制电路复杂化，可靠性降低。(4)为了避免电子元器件，特别是谐振电感Lo的參数离散问题对桥路谐振特性的影响，必须提高对谐振器件的精度要求，造 成电路成本的増加。(5)随着光源(Lamp)的逐渐老化，其点火电压的要求会随之增加，对点火频率或者点火扫频频率的设定会使旧的光源Lamp无法点亮，提早被报废而造成浪费。(6)对点火频率或者点火扫频频率的设定会造成电子镇流器对不同光源(Lamp)的通用性下降。(7)通常现有传统大功率半桥和全桥拓扑电子镇流器在进行谐振电感Lo设计吋，磁芯中心柱必须留有很大的气隙，以避免磁芯在点火时的过大谐振冲击电流导致磁芯饱和而损坏谐振桥路和控制电路。过大的气隙产生的漏磁通会在绕制于磁芯中心柱上的电感绕组中产生很大的高频涡流损耗，使得电感绕组温升大幅度升高，降低电感的可靠性。(8)为了减小电感绕组中的高频涡流损耗，降低电感绕组温升，绕组必须使用多达100股的多股纱包线绕制，使得谐振电感的成本大大增加。(9)由于电感绕组中的高频涡流损耗与电感的工作频率的平方成正比，所以为了降低高频涡流损耗对电感绕组温升的影响，现有传统大功率半桥和全桥拓扑电子镇流器的工作频率难以提高，体积难以减小。有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供ー种在点火时作为变压器，点火后作为对流过光源的电流进行限流控制的电感的高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器，主要解决了现有大功率电子镇流器电路高压点火、限流工作以及工作频率三者之间难以平衡优化的问题。本发明还涉及使用上述变压器的电子镇流器。为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是一种高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器，包括磁芯，所述磁芯包括中心柱，所述中心柱包括分开的上下两部分，上下两部分之间的空隙形成磁芯气隙；有一点火绕组绕制在中心柱的上部分或下部分上，该点火绕组为变压器的原边绕组；以及两个侧柱，两个侧柱分位于所述中心柱的两侧，两个侧柱相连构成一个大环形结构，所述中心柱连接在所述大环形结构的中间与两个侧柱分别形成两个小环形结构；在两个侧柱上分别绕制第一绕组和第二绕组，第一绕组和第二绕组的同名端相连作为变压器的副边绕组，第一绕组和第二绕组的绕制方式需满足它们在所述大环形结构中形成顺时针和逆时针的反方向的环形磁场。优选的，所述中心柱的空隙在中心柱的中间。
一种高频高压钠灯电子镇流器，包括前级功率因数校正电路、半桥电路、高频大功率高压钠灯、高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器，所述高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器包括磁芯，所述磁芯包括中心柱，所述中心柱包括分开的上下两部分，上下两部分之间的空隙形成磁芯气隙；有一点火绕组绕制在中心柱的上部分或下部分上，该点火绕组为变压器的原边绕组；以及两个侧柱，两个侧柱分位于所述中心柱的两侧，两个侧柱相连构成一个大环形结构，所述中心柱连接在所述大环形结构的中间与两个侧柱分别形成两个小环形结构；在两个侧柱上分别绕制第一绕组和第二绕组，第一绕组和第二绕组的同名端相连作为变压器的副边绕组，第一绕组和第二绕组的绕制方式需满足它们在所述大环形结构中形成顺时针和逆时针的反方向的环形磁场；
所述前级功率因数校正电路的输出端连接所述半桥电路的输入端，所述半桥电路包括两个晶体管和两个电容，高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器副边绕组的一端与闻频大功率闻压纳灯串联后连接在两个电容的连接点，副边绕组的另一端连接在半桥电路的两个晶体管的连接点处。一种高频高压钠灯电子镇流器，包括前级功率因数校正电路、全桥电路、高频大功高压钠灯、高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器，所述高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器包括磁芯，所述磁芯包括中心柱，所述中心柱包括分开的上下两部分，上下两部分之间的空隙形成磁芯气隙；有一点火绕组绕制在中心柱的上部分或下部分上，该点火绕组为变压器的原边绕组；以及两个侧柱，两个侧柱分位于所述中心柱的两侧，两个侧柱相连构成一个大环形结构，所述中心柱连接在所述大环形结构的中间与两个侧柱分别形成两个小环形结构；在两个侧柱上分别绕制第一绕组和第二绕组，第一绕组和第二绕组的同名端相连作为变压器的副边绕组，第一绕组和第二绕组的绕制方式需满足它们在所述大环形结构中形成顺时针和逆时针的反方向的环形磁场；所述前级功率因数校正电路的输出端连接所述全桥电路的输入端，高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器副边绕组的一端与高频大功率高压钠灯串联后连接在全桥电路的两个晶体管的连接点，副边绕组的另一端连接在全桥电路的另外两个晶体管的连接点处。对于上述镇流器，优选的，所述晶体管为功率场效应管。对于上述镇流器，优选的，所述晶体管为ニ极管。采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果( I)解决了现有大功率高压钠灯(HPS)的电子镇流器电路高压点火、限流工作以及工作频率三者之间难以平衡优化的设计问题。(2)消除光源(Lamp)点火时的谐振电流冲击，降低对全桥或者半桥桥路主功率器件的应カ要求，在降低桥路功率器件成本的同时提高大功率电子镇流器的工作可靠性。(3)使电子镇流器的工作频率不再同时兼顾高压点火和限流控制两个工作状态，可以根据光源要求将电子镇流器的工作频率设计在合适的频率点。(4)消除谐振电感绕组中产生的高频涡流损耗，不再使用昂贵的多股纱包线。(5)减小对镇流器中谐振电子元器件的精度要求，降低原材料成本。
(6)进ー步减小镇流器的体积，提高镇流器的工作效率。(7)简化电路设计、缩短产品研发周期。下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进ー步详细的描述。
图I是传统的谐振式大功率半桥拓扑电子镇流器的电路图；
图2是传统的谐振式电子镇流器点火时的幅频特性图；图3是传统电子镇流器限流工作时的幅频特性图；图4是本发明高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器的结构图；图5是本发明高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器点火时的工作状态图；图6是本发明高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器点火时的等效电路；图7是本发明高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器限流时的工作状态图；图8是本发明高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器限流时的等效电路图；图9是使用上述变压器的半桥电子镇流器的电路图；图10是使用上述变压器的全桥电子镇流器的电路图。
具体实施例方式如图4所示，本发明是一种高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器，包括磁芯I，所述磁芯I包括中心柱2，所述中心柱2包括分开的上下两部分，上下两部分之间的空隙3形成磁芯气隙；有一点火绕组Nig绕制在中心柱2的下部分上(上部分上也可以)，该点火绕组Nig为变压器的原边绕组，输入点火电压；以及两个侧柱，分别为左侧柱4和右侧柱5，两个侧柱分位于所述中心柱2的两侧，两个侧柱相连构成一个大环形结构6，所述中心柱2连接在所述大环形结构6的中间与两个侧柱分别形成两个小环形结构ー左侧的小环形结构和右侧的小环形结构(即后面(pl、92分别位于的磁路空间)；在左侧柱4上绕制有第一绕组NI，右侧柱5上绕制有第二绕组N2，第一绕组NI和第二绕组N2的同名端相连作为变压器的副边绕组，第一绕组NI和第二绕组N2的绕制方式需满足它们在所述大环形结构6中形成顺时针和逆时针的反方向的环形磁场。工作原理为电子镇流器在对高压钠灯点火时作为ー个升压变压器，nig〈nl+n2，nig为点火绕组Nig的匝数，nl第一绕组NI的匝数，n2为第二绕组N2的匝数。光源(Lamp)点火时,变压器的工作状态如图5所不。由点火绕组Nig产生的磁通Cp I、Cp2分别流过第一绕组N1和第二绕组N2所在的磁路。由于第一绕组N1和第二绕组N2的两个同名端相连，此时变压器等效为ー个原边绕组匝数为nig，副边绕组匝数为(ni+n2)的变压器，如图6所示。此时，当在点火绕组Nig两端输入幅值为Vig的点火电压，在第一绕组N1的A端和第二绕组N2的B端之间将得到ー个幅值为(NfN2) *Vig/Nig的高压，用于点亮光源(Lamp)。光源(Lamp)点火完成后进入限流工作模式
变压器的工作状态如图7所示。此时点火绕组Nig处于空置状态，不參与磁集成变压器的限流工作模式。光源(Lamp)的电流由第一绕组N1的A端流入，从第二绕组N2的B端流出。第一绕组NI和第二绕组N2在磁芯中产生的磁通分别カCpl (p2且方向相反，即磁通(pi、V2在磁路中相互抵消。此时磁集成变压器等效为ー个绕组匝数为(N1-N2)的电感，如图8所示。本发明具有如下优点( I)解决了现有大功率高压钠灯(HPS)的电子镇流器电路高压点火、限流工作以及工作频率三者之间难以平衡优化的设计问题。
(2)消除光源(Lamp)点火时的谐振电流冲击，降低对全桥或者半桥桥路主功率器件的应カ要求，在降低桥路功率器件成本的同时提高大功率电子镇流器的工作可靠性。(3)使电子镇流器的工作频率不再同时兼顾高压点火和限流控制两个工作状态，可以根据光源要求将电子镇流器的工作频率设计在合适的频率点。(4)消除谐振电感绕组中产生的高频涡流损耗，不再使用昂贵的多股纱包线。(5)减小对镇流器中谐振电子元器件的精度要求，降低原材料成本。(6)进ー步减小镇流器的体积，提高镇流器的工作效率。(7)简化电路设计、缩短产品研发周期。本发明通过磁集成的方式，将电子镇流器的高压点火和限流工作分解为两个相互独立的控制状态，解决了现有大功率电子镇流器电路高压点火、限流工作以及工作频率三者之间难以平衡优化的设计难题。由于采用了非谐振工作模式，大大降低了电路对全桥或者半桥桥路主功率器件的应カ要求，在降低桥路功率器件成本的同吋，显著提高了大功率电子镇流器的可靠性。本发明对电子镇流器工作频率的选择不用同时兼顾高压点火和恒功率控制两个工作状态，可以根据光源要求，将电子镇流器的工作频率设计在合适的频率点，特别是要求高频(>IOOKHz)工作的大功率高压钠灯(HPS)光源。进ー步减小镇流器的体积，提高电子镇流器的工作效率。此外，第一绕组NI、第二绕组N2分别绕制在两个侧柱上，磁芯气隙在磁芯的中心柱2上，有效避免了在电感绕组中产生高频涡流损耗的问题，降低了限流电感的温度，降低了限流电感的成本，同时提高了电感的可靠性。调整第一绕组NI、第二绕组N2、点火绕组Nig和Vig的參数，可以得到需要的点亮光源(Lamp)的电压和能量。调整第一绕组NI、第二绕组N2的匝数和磁芯气隙，可以得到电子镇流器在限流エ作模式工作时需要的等效电感量。參照图9，本发明还公开了ー种高频高压钠灯电子镇流器，包括前级功率因数校正电路(VDC+与GND之间为前级功率因数校正电路所提供的稳定直流电压)、半桥电路、高频大功率高压钠灯Lamp和高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器Tl。所述高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器Tl包括磁芯I，所述磁芯I包括中心柱2，所述中心柱2包括分开的上下两部分，上下两部分之间的空隙3形成磁芯气隙；有一点火绕组Nig绕制在中心柱2的下部分上(上部分上也可以)，该点火绕组Nig为变压器的原边绕组，输入点火电压；
以及两个侧柱，左侧柱4和右侧柱5，两个侧柱分位于所述中心柱2的两侧，两个侧柱相连构成一个大环形结构6，所述中心柱2连接在所述大环形结构6的中间与两个侧柱分别形成两个小环形结构ー左侧的小环形结构和右侧的小环形结构(即后面(pl、(|)2分别位于的磁路空间)；在左侧柱4上绕制有第一绕组NI，右侧柱5上绕制有第二绕组N2，第一绕组NI和第二绕组N2的同名端相连作为变压器的副边绕组，第一绕组NI和第二绕组N2的绕制方式需满足它们在所述大环形结构6中形成顺时针和逆时针的反方向的环形磁场。所述半桥电路包括两个晶体管和两个电容。
图9给出了该种镇流器的ー种具体电路，所述半桥电路包括第一场效应管Q1、第ニ场效应管Q2、第一电容Cl和第二电容C2。所述前级功率因数校正电路的输出端连接所述半桥电路的输入端，高频高压钠灯电子镇流器的副边绕组的一端与高频大功率高压钠灯Lamp串联后连接在第一电容Cl和第ニ电容C2的连接点，副边绕组的另一端连接在半桥电路的第一场效应管Ql和第二场效应管Q2的连接点处。第一电容Cl、第二电容C2、第一场效应管Ql和第二场效应管Q2组成半桥电路。另ー种高频高压钠灯电子镇流器，參照图10，包括前级功率因数校正电路(VDC+与GND之间为前级功率因数校正电路所提供的稳定直流电压)、全桥电路、高频大功率高压钠灯Lamp和高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器Tl。所述高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器Tl包括磁芯I，所述磁芯I包括中心柱2，所述中心柱2包括分开的上下两部分，上下两部分之间的空隙3形成磁芯气隙；有一点火绕组Nig绕制在中心柱2的下部分上(上部分上也可以)，该点火绕组Nig为变压器的原边绕组，输入点火电压；以及两个侧柱，左侧柱4和右侧柱5，两个侧柱分位于所述中心柱2的两侧，两个侧柱相连构成一个大环形结构6，所述中心柱2连接在所述大环形结构6的中间与两个侧柱分别形成两个小环形结构ー左侧的小环形结构和右侧的小环形结构(即后面(pl、q>2分别位于的磁路空间)；在左侧柱4上绕制有第一绕组NI，左侧柱5上绕制有第二绕组N2，第一绕组NI和第二绕组N2的同名端相连作为变压器的副边绕组，第一绕组NI和第二绕组N2的绕制方式需满足它们在所述大环形结构6中形成顺时针和逆时针的反方向的环形磁场。所述全桥电路包括四个晶体管。图10给出了这种电子镇流器的ー种具体电路图，所述全桥电路包括第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第三场效应管Q3和第四场效应管Q4。所述前级功率因数校正电路的输出端连接所述全桥电路的输入端，高频高压钠灯电子镇流器的副边绕组的一端与高频大功率高压钠灯Lamp串联后连接在全桥电路的第一场效应管Ql和第二场效应管Q2的连接点，副边绕组的另一端连接在全桥电路的第三场效应管Q3和第四场效应管Q4的连接点处。上述半桥和全桥的电子镇流器中前级功率因数校正电路所提供的稳定直流电压，为全桥或者半桥电路提供能量。然后经半桥或全桥电路将直流电转变成交流电，并经上述变压器升压产生光源(Lamp)需要的点火电压。并在点火后完成后进入限流工作模式。上述已详细阐述过，不再赘述。该电子镇流器的优点已在上述变压器中详细阐述过，再次不再重复。
优选的，上述半桥电路和全桥电路的场效应管也可以为ニ极管或其他晶体管。值得说明的是，上面具体实施例以及具体附图中仅给出了ー种第一绕组NI和第ニ绕组N2在两个侧柱上的绕制方式，事实上，其他各种符合上述顺时针和逆时针的旋转磁场的绕指方式均在本发明的保护范围内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以 做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器，包括磁芯，其特征在于所述磁芯包括 中心柱，所述中心柱包括分开的上下两部分，上下两部分之间的空隙形成磁芯气隙；有一点火绕组绕制在中心柱的上部分或下部分上，该点火绕组为变压器的原边绕组； 以及两个侧柱，两个侧柱分位于所述中心柱的两侧，两个侧柱相连构成一个大环形结构，所述中心柱连接在所述大环形结构的中间与两个侧柱分别形成两个小环形结构；在两个侧柱上分别绕制第一绕组和第二绕组，第一绕组和第二绕组的同名端相连作为变压器的副边绕组，第一绕组和第二绕组的绕制方式需满足它们在所述大环形结构中形成顺时针和逆时针的反方向的环形磁场。
2.根据权利要求I所述的高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器，其特征在于所述中心柱的空隙在中心柱的中间。
3.一种高频高压钠灯电子镇流器，包括前级功率因数校正电路、半桥电路、高频大功率高压钠灯、高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器，所述高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器包括磁芯，其特征在于所述磁芯包括 中心柱，所述中心柱包括分开的上下两部分，上下两部分之间的空隙形成磁芯气隙；有一点火绕组绕制在中心柱的上部分或下部分上，该点火绕组为变压器的原边绕组； 以及两个侧柱，两个侧柱分位于所述中心柱的两侧，两个侧柱相连构成一个大环形结构，所述中心柱连接在所述大环形结构的中间与两个侧柱分别形成两个小环形结构；在两个侧柱上分别绕制第一绕组和第二绕组，第一绕组和第二绕组的同名端相连作为变压器的副边绕组，第一绕组和第二绕组的绕制方式需满足它们在所述大环形结构中形成顺时针和逆时针的反方向的环形磁场； 所述前级功率因数校正电路的输出端连接所述半桥电路的输入端，所述半桥电路包括两个晶体管和两个电容，高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器副边绕组的一端与高频大功率高压钠灯串联后连接在两个电容的连接点，副边绕组的另一端连接在半桥电路的两个晶体管的连接点处。
4.一种高频高压钠灯电子镇流器，包括前级功率因数校正电路、全桥电路、高频大功高压钠灯、高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器，所述高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器包括磁芯，其特征在于所述磁芯包括 中心柱，所述中心柱包括分开的上下两部分，上下两部分之间的空隙形成磁芯气隙；有一点火绕组绕制在中心柱的上部分或下部分上，该点火绕组为变压器的原边绕组； 以及两个侧柱，两个侧柱分位于所述中心柱的两侧，两个侧柱相连构成一个大环形结构，所述中心柱连接在所述大环形结构的中间与两个侧柱分别形成两个小环形结构；在两个侧柱上分别绕制第一绕组和第二绕组，第一绕组和第二绕组的同名端相连作为变压器的副边绕组，第一绕组和第二绕组的绕制方式需满足它们在所述大环形结构中形成顺时针和逆时针的反方向的环形磁场； 所述前级功率因数校正电路的输出端连接所述全桥电路的输入端，高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器副边绕组的一端与高频大功率高压钠灯串联后连接在全桥电路的两个晶体管的连接点，副边绕组的另一端连接在全桥电路的另外两个晶体管的连接点处。
5.根据权利要求3或4所述的高频高压钠灯电子镇流器，其特征在于所述晶体管为功率场效应管。
6.根据权利要求3或4所述的高频高压钠灯电子镇流器，其特征在于所述晶体管为ニ极管。
全文摘要
一种高频高压钠灯电子镇流器用磁集成变压器，其磁芯包括中心柱和两侧侧柱。中心柱分上下两部分，中间的空隙形成磁芯气隙；一点火绕组绕制在中心柱的上部分或下部分上，形成变压器的原边绕组；两个侧柱分位于中心柱的两侧、相连构成一个大环形结构，中心柱连接在大环形结构的中间与两个侧柱分别形成两个小环形结构；在两个侧柱上分别绕制第一绕组和第二绕组，第一绕组和第二绕组的同名端相连作为变压器的副边绕组，第一绕组和第二绕组的绕制方式需满足它们在所述大环形结构中形成顺时针和逆时针的反方向的环形磁场。在点火时它作为变压器，后作为限流控制电感，使高压点火、限流工作以及工作频率三者间可平衡优化。还有使用上述变压器的镇流器。
文档编号H05B41/288GK102769984SQ201210251490
公开日2012年11月7日 申请日期2012年7月19日 优先权日2012年7月19日
发明者翟宁 申请人:北京源点新智科技有限公司