专利名称：气体放电灯中利用脉宽调制减少竖向骗折的系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于驱动气体放电灯的系统，更具体来说，涉及利用脉宽调制减少高亮度气体放电灯中的颜色分离的系统。
由于高亮度放电灯(HID)的许多优点，如效率和照明亮度，它们正在变得日益流行起来。这些HID灯由高频电子镇流器或者低频电子镇流器来驱动，其中，将高频电子镇流器设计成产生范围大约在20Khz的驱动电流信号，而低频电子镇流器具有范围在100Hz的驱动电流信号。
但是，HID灯来使用高频电子镇流器的主要障碍是在高频工作时会发生声音共振/电弧不稳定。在很多情况下，声音共振会引起非常烦人的电弧闪烁。此外，声音共振会使放电电弧熄灭，更有甚者，会使放电电弧永久偏向放电灯灯壁，并且将其损坏放。
近来，发展起了一种新的高亮度放电灯，这种灯使用陶瓷(多晶氧化铝)管。在这种灯中的放电管是圆柱形的，长度直径比，即内部长度比内径除接近于1，在某些情况下大于1。这种灯具有功效较高的理想特性，但是其缺点在于，在垂直和水平工作时具有不同的颜色特性。具体来说，在垂直工作中，出现颜色分离。
通过将电弧的图象投影到屏幕上可以观察到颜色分离，屏幕显示在电弧的底部出现粉红色，而顶部出现蓝色或绿色。这是由放电中的金属添加剂混合不完全所造成的。在放电的上部，铊辐射过多而钠辐射不足。这种现象导致了色温高和功效减少。
申请为09/335,020，标题为“减少放电灯中的纵向分离”，于1999年6月17日提交，并且在这里引用为参考的美国申请讲述了一种方法，通过在扫描时间内提供电流信号频率扫描，结合具有称为第二纵向模式频率的频率的振幅调制信号来消除或显著减小声音共振和颜色分离。这种运行的典型参数是在10毫秒的扫描时间以内，电流频率扫描为从45到55kHz，恒定的振幅调制频率为24.5KHz并且调制指数为0.24。
调制指数定义为(Vmax-Vmin)/(Vmax-Vmin)，其中，Vmax为振幅调制包络线的最大峰峰值电压，Vmin为振幅调制包络线的最小峰峰值电压。45到55KHz的频率范围是在第一水平声音共振模式与第一径向声音共振模式之间。第二纵向模式可以通过计算得到，其中，第n次(nth)纵向模式的功率频率等于n*C1/2L，其中，n为模数，C1为声音在灯的轴向平面的平均速度，L为灯的内部长度。
至于建立灯的驱动系统，相对较方便的是在实验室环境中提供一个信号发生器方案，从而产生理想波形的信号，该信号包括在第二纵向模式频率的振幅调制和电流信号扫描频率。但是，在灯的功率转换器中需要实际的驱动器配置，以便以方便而有效的方式给灯提供所需要的驱动信号。
因此，按照本发明的一种实施例，高亮度放电灯由电子镇流器驱动，该电子镇流器包括一个具有全桥式或半桥式结构的镇流器桥式单元，该单元由脉宽调制(PWM)信号发生器控制。脉宽调制信号发生器提供经过脉宽调制的信号，该信号是从灯驱动电压波形得到的，该波形具有消除灯中的颜色分离所需要的理想特性。然后将由镇流器桥式单元提供的输出信号提供给低通滤波器，利用该滤波器不仅使灯稳定，而且对由脉宽调制信号产生的无用频率成分进行滤波。
按照本发明的另一种实施例，利用控制器模块首先确定对应于放电灯的第二纵向模式的第二纵向模式频率，然后提供由脉宽调制信号发生器提供的脉宽调制信号。该控制器模块包括一个微处理器，配置为接收从被驱动的高亮度放电灯反馈的电压和电流信号。该控制器还包括一个AM/FM信号发生器，提供理想的灯驱动电压波形。如上所述，灯驱动电压波形包含与频率扫描信号结合在一起的，频率等于放电灯的第二纵向模式频率的振幅调制信号。
然后，将由AM/FM信号发生器提供的灯驱动电压波形供给脉宽调制信号发生器。当以对称模式运行时，脉宽调制信号发生器提供对称的三角形脉冲调制信号，该信号通过比较器与驱动电压波形相比较。当以非对称模式运行时，脉宽调制信号发生器产生具有单边斜坡的三角形信号。脉宽调制信号发生器的输出端口提供用来驱动桥式模块的门极驱动信号。
按照本发明的另一种实施例，以模拟和/或数字电路结构实现控制模块的所有部件。由桥式电路提供的脉宽调制信号通过低通滤波电路驱动灯。方便地，低通滤波器的共振频率位于超过理想的灯驱动波形的电压频谱的任何频率成分的范围，而共振频率的三分之一位于扫描频率范围与可能的第二纵向模式频率范围的整个范围之间。
在本说明的结论部分中将具体指出并且明确声明关于本发明的主旨。但是，结合附图，参照下面的详细说明，可以将关于本发明的设计和操作方法，连同其特性、目的以及优点理解得最好。
图1示出了按照本发明的一种实施例的电子镇流器电路；图2a、2b和2c示出了按照本发明的一种实施例，由系统提供的振幅调制信号的频谱；图3示出了按照本发明的一种实施例的镇流器系统的框图；图4示出了按照本发明的一种实施例，与滤波器/触发器结合在一起的一种全桥式电路方案；图5示出按照本发明一种实施例的非对称脉宽调制方案的波形图；图6示出按照本发明一种实施例的对称脉宽调制方案的波形图；图7示出按照本发明一种实施例，对应于用于振幅调制的对称脉宽调制方案的信号曲线；图8示出按照本发明一种实施例的归一化电压频谱，其中，45-55kHz扫描由在250kHz桥式运行的固定的50kHz表示；图9示出按照本发明一种实施例的归一化电压频谱，其中，45-55kHz扫描由在500kHz桥式运行的固定的50kHz表示；图10示出了按照本发明一种实施例，对脉冲信号的比较；图11示出了按照本发明一种实施例，对模拟与数字脉冲信号的比较；以及图12示出了按照本发明一种实施例的归一化功率频谱。
图1示出了按照本发明一种实施例的电子镇流器电路10。主电源12为高低压电源总线提供交流功率信号VBUS用于最终驱动灯14。镇流器电路10包括一个前调节器和上转换器16，设计为接收校正的主电源信号的样本并整形镇流器的电源电流，也称为主电流，用于功率因数校正。很方便地，前调节器和上转换器16包括一个升压转换器(没有示出)，其操作是本领域所熟知的。
镇流器桥式单元18设计为接收由前调节器和上转换器16提供的信号。镇流器桥式单元18起整流器的作用，对通过滤波电路86提供给灯14的电压信号的极性进行转换。镇流器桥式单元18包括四个MOSFET晶体管，切换这些晶体管，为在通过电压电源总线VBUS的功率信号中携带的信号提供交替的信号路径。
镇流器桥式单元18由控制器20控制，控制器20通过信号线21向镇流器桥式单元中的MOSFET的栅极提供对应的信号。镇流器桥式单元的输出端口通过滤波电路86连接到高亮度放电(HD)灯14，滤波电路86包括与电容器26串联连接的电容器22和电感器24，电容器26与灯14并联连接。从灯14到控制器20提供了反馈电压和电流信号线23。
按照本发明的一种实施例，在扫描时间以内的电流频率扫描与振幅调制信号结合在一起驱动高亮度放电灯14，振幅调制信号具有对应于放电灯的第二纵向声音共振模式的第二纵向模式频率。通过首先设置下限第二纵向模式频率WL和上限第二纵向模式频率WH得到第二纵向模式频率Wm。然后给气体放电灯提供一个电流信号，该信号具有范围在第一水平声音共振模式频率和第一径向声音共振模式频率之间的频率扫描，第一水平声音共振模式频率和第一径向声音共振模式频率分别对应于灯的第一水平声音共振模式和第一径向声音共振模式。
然后，将频率扫描电流信号与具有调制频率Wm和指定调制指数m(典型值为0.09)的振幅调制信号进行混频。目的是在灯上提供下式定义的电压波形V(t)＝A(1+mCosWmt)CosWc(t)t式中，m为调制指数，Wm为调制频率，Wc(t)为载波频率，A为振幅。调制频率的范围在20-30kHz以内，而典型的载波频率以大约50kHz为中心并且大约有+或-5kHz的偏移，与载波频率或者调制频率相比，速度很慢。然后，对灯的电压进行测量。然后，将振幅调制频率WH按照指定的量Δf减小，然后，与频率扫描电流信号重新混频。重复对灯电压进行测量，直到振幅调制信号的频率达到WL。生成从WH到WY的频率与电压的曲线。灯电压的最大值对应于频率Wmax，它被用来进行颜色混合，即此时将Wm设置为Wmax。
按照本发明的另一种实施例，每当将频率扫描信号与振幅调制信号进行混频并且对电压进行测量时，将振幅调制信号“关闭”，直到下次电压测量。
按照本发明的另一种实施例，使用了一个背景减少机制。为此，对灯电压进行测量，以便在振幅调制信号和扫描频率信号混频以前和以后，使具有振幅调制“关闭”的灯电压信号值被平均，并且从具有振幅调制混频“接通”的灯电压中减去。
一旦确定了颜色混合频率Wmax’就将频率扫描信号与具有频率WH的振幅调制信号重新进行混频。然后，将振幅调制频率减小到频率Wmax，并且将调制指数m增加到mmix，mmix是在颜色混合模式中使用的调制指数(典型值为0.24)。
图2a和2b示出按照本发明的一种实施例，由系统10提供的振幅调制信号的频谱。图2a示出了振幅调制信号的电压频率与相应电压的曲线。如图2a所示，按照本发明的一种实施例，扫描发生器12提供范围从45到55kHz的频率扫描信号。由发生器94提供的振幅调制信号具有24kHz的频率和0.24的调制指数。因此，在桥18的输出端口的输出信号具有如图2a所描述的电压频率特性，其中，存在45-55kHz之间的中心分布以及在26kHz和74kHz的两个边带。
图2b表示功率频率分布，其中，沿着在第二纵向模式频率为24kHz的固定功率频率存在90kHz到110kHz的中心分布和76kHz和124kHz的两个边频带。图2c表示与图2a中相同的信息，但在在40kHz到160kHz的频率范围内有一个焦点。
图3示出按照本发明的一种实施例的镇流器系统80的框图。如参照图1所说明的，通过使用全桥式电路18建立灯的驱动波形，全桥式电路18通过滤波/触发电路86向灯14提供驱动信号。由控制器20生成并且通过门极驱动器电路90提供的控制信号驱动包含在全桥式电路18中的MOSFET。按照本发明的一种实施例，门极驱动器电路90在控制器20与全桥式电路18之间起接口的作用。
控制器20包含一个微处理器96，设计为在其输入端口接收对应于提供给灯14的电压和电流信号的电压和电流测量信号。微处理器96进行上述参照图1和图2讨论的颜色混合运算。为此，微处理器96的输出端口连接到AM/FM信号发生器94的输入端口，以便在灯运行期间，为适当的颜色混合提供必要的信号。AM/FM信号发生器94设计为提供在上述公式(1)定义的波形的小信号样本。信号发生器94的输出端口连接到脉宽调制模块92的输入端口。脉宽调制模块92被设计为生成对应于由发生器94提供的波形信号的脉冲信号。脉宽调制模块92的输出端口连接到门极驱动器电路90。
图4示出了按照本发明的一种实施例，与滤波器/触发器86结合在一起的全桥式电路18的一种方案。MOSFET 104到110相互连接形成如本领域普遍知道的全桥式电路。电感器24的电感系数为L，电容器22和26的电容量分别为Cs和C。除了高频成分之外，由全桥式电路18提供的输出信号接近于理想波形。因此，对于要求滤波器充分削弱不需要的高频成分。此外，滤波器最好补偿灯的负差动阻抗。
在脉宽调制模块92的输出端生成的脉冲信号驱动包含在全桥式电路18中的晶体管，它主要使全桥式电路产生以上参照图1和图2所描述的颜色混合方案所需要的理想波形。按照本发明的两个实施例，考虑了两种类型的脉宽调制方法，但是本发明不局限于由PWM模块92使用的脉宽调制类型的范围以内。这两种类型的调制最好是对称的和非对称的脉宽调制方案。在任一种情况下，提供给PWM模块92的电压信号都是理想的灯驱动波形的低电压样本。PWM模块92的输出信号是脉冲宽度经过调制的门极驱动信号，该信号驱动全桥式电路18。
图5示出非对称脉宽调制方案的波形图。信号曲线142为由脉宽调制(PWM)模块92在内部产生的非对称斜坡信号。信号曲线140是提供给PWM模块92输入端的电压信号，是具有添加了等于斜坡信号峰值电压一半的直流电平的理想颜色混合波形。如图所示，在斜坡的每个周期里，当斜坡第一次等于输入信号时，PWM模块的输出信号144为“高”，而在每个PWM周期的结尾，当斜坡信号复位时，PWM模块的输出信号144复位，这样提供最后得到的输出脉冲信号144。由桥式电路18产生的输出信号与具有直流电平偏移并且增加了振幅的脉冲信号完全相同。图6示出了对称脉宽调制方案的波形图。按照本发明的另一种实施例，信号曲线162是对称的斜坡信号，该信号是由脉宽调制(PWM)模块92在内部产生的。信号曲线160是提供给PWM模块92输入端的电压信号，该信号是具有附加了等于三角形信号峰值电压一半的直流电平的理想的颜色混合波形，因此平均脉冲宽度近似为PWM周期的50％，并且桥的输出信号将不包含直流信号成分。如图所示，按照本发明的一种实施例，对称斜坡信号162是三角形的。
在三角形波形的每个周期中，当三角形第一次超过输入信号时，PWM模块92的输出为“高”，而随后当输入信号第一次超过三角形时，PWM模块92的输出为低，由输出曲线164示出。输入波形的最大值确定所产生的最小脉冲宽度。因此，输入信号160的振幅确定了所使用的脉冲宽度的范围。虽然理想的桥式电路能够运行在0-100％的脉宽调制，但实际上10％-90％的调制是优选的运行范围。
PWM模块92有益地使用了如参照图6讨论的对称脉宽调制方案，作为优选的运行模式。对称的方法在高到低和低到高的输出转换时都利用了关于输入波形信号的信息，而非对称方法只在低到高的转换时使用输入信息，高到低的转换发生在PWM周期的结尾。
图7示出了对应于对称脉宽调制方案的用于固定在50kHz(没有扫描)载波频率信号的振幅调制的信号曲线。将输入调制指数设置在0.25，并且将AM频率设置在24kHz。与斜坡信号182的三角形振幅有关的输入波形180的振幅被设置为产生10-90％的脉宽调制。曲线184示出了输出信号。注意，PWM的范围是由与“三角形”信号的振幅有关的“输入”信号的最大和最小值确定的。由公式(1)可以得出，最大值为A(1+m)，最小值为-A(1+m)，其中，A为载波频率内的振幅，m为用于振幅调制的调制指数。因此，与给定的PWM范围有关的A值是调制指数m的函数。对图7示出的例子来说，PWM频率被设置为250kHz。
图8示出了没有频率扫描的，减去了直流成分的合成输出信号(门极驱动)波形的归一化的电压频谱。如图8所示，完全满足了在0-100kHz范围内再现理想频谱。边带振幅最多在0.1％以内。边带振幅与载波振幅的比例为0.122，与输入值0.125相比，误差在-2.4％左右。存在必须由滤波器86处理的不需要的频率成分。例如，需要削弱围绕150kHz集中的那些成分，但是不削弱相对靠近不应该被削弱的频率成分的频率成分。
图9示出了用于将脉宽调制频率已经增加到了500kHz的方案的频谱。现在，边带与载波振幅的比例精确到三位数，即0.125。不需要的频率成分已经移到相当高的频率范围。这样做在增加的全桥18的运行压力的同时减小了所需要的滤波器的成本。由此，参照以上参照图2讨论的对应于本发明的颜色混合方案的频率范围，对于对称脉宽调制方案，优选的脉宽调制频率大约为250kHz或更大。对于非对称方案来说，脉宽调制频率最好为大约325kHz或更大，以便使理想波形的电压频谱显示出，按照以上参照图7和图8讨论的情况看来是可以接受的特性。
如以上说明，按照本发明的另一种实施例，包含在控制器20中的部件包括数字硬件而不是模拟硬件。因此，AM/FM信号发生器94使用数字信号处理器，这个数字信号处理器在每个PWM周期中计算一个输入波形的值。这个值对应于PWM周期开始时的模拟输入波形200的振幅。在图10中示出了这个情况，其中，使用了500kHz的脉宽调制频率，0.25的调制指数以及10-90％的脉宽调制宽度。曲线220示出了最后得到的数字输入信号。曲线210示出了斜坡信号。图11示出了由PWM模块92产生的，用于数字240和模拟250方案的脉冲信号的比较。对于以上参照图2、7和8讨论的操作值，对于大多数应用来说，范围在325kHz到500kHz脉宽调制频率提供了令人满意的结果。以下讨论按照本发明的各个实施例的滤波器86的设计。在稳态运行中，使用了具有24kHzAM信号的45-55kHz的频率扫描。在电压频谱中，由此产生的最高频率为79kHz(55kHz+24kHz)，最低频率为21kHz(45kHz-24kHz)。颜色混合算法允许具有20-30kHz的AM频率的运算，因此总的频率范围大约为15kHz(45减30)到85kHz(55加30)。除了别的以外，根据PWM方案和PWM频率，不需要的频率成分出现在低到大约100kHz的频率。因此，滤波器最好具有从15kHz到85kHz为平坦的，而在100kHz被强烈削弱的频率响应。滤波器最好是低阶的，没有相对较大的磁性部件。
按照本发明的一种实施例，使用了没有平坦频率响应的滤波器，它仍然提供了满足灯的关于适当颜色混合的技术要求的功率频谱。串联电容器22被用作隔直电容器。因此，在按照本发明的实施例的一个例子中，电感器24具有L＝1.6mH的电感系数，电容器26具有C＝1.2nF的电容量，电容器22具有Cs＝2.2μF的电容量，灯14的等效电阻R＝533Ω。因此，该滤波器是这样设计的，使得空载谐振频率(115kHz)超过理想的灯驱动波形的电压频谱的任何频率成分。此外，谐振频率的三分之一(38.3kHz)处在不使用的频谱部分，位于被扫描的载波频率(45kHz-55kHz)和在颜色混合运算当中的较低的AM边带的全部范围(15kHz-35kHz)之间。
图12示出了归一化到直流成分为“1”的功率频谱。由于这样的归一化以及0.25的输入m值，24kHz固定频率成分的振幅应该是按照m/(1+m2/2)得到的0.242。在电压频谱中的失真已经在m值中引起了小于1％的误差。由于固定的频率成分从20kHz变化到30kHz，因此，在固定频率的输出振幅从20kHz的0.242变化到30kHz的0.239，总计大约为1.3％。在整个频率扫描上功率变化了大约+/-6.5％。这样的功率起伏可以导致明显的闪烁，按照本发明的一种实施例，通过提供随着在频率扫描之上增加频率而增加偏置振幅来校正这种功率起伏。此外，按照本发明的另一种实施例，当希望增加到达灯的功率时，可能在增加桥式电路18中的总线电压的同时还增加调制指数m。例如，对于需要75W功率的情况，527V左右的总线电压以及m＝0.3的调制指数可以产生合适的滤波器特性以及令人满意的颜色混合方案。
按照本发明的另一种实施例，将谐振频率设置在87.7kHz左右，而谐振频率的三分之一设置为29.2kHz。除了其它结果以外，这样做产生三个有益的结果。第一、传递函数呈现为高值，例如，在大约50kHz的频率范围内大于一。这使得在桥式电路中所需要的总线电压Vbus较低。第二、传递函数在该区域中相对平坦。第三、利用按照与参照图11讨论的设计相比较低的总线电压和调制指数值，较有效地削弱了不需要的高频成分。例如，75W的输出功率需要的总线电压为407V，调制指数为m＝0.28。
这样，按照本发明的各种实施例，使用了用于给全桥式电路提供脉冲信号的系统和方法，从而在高亮度放电灯中提供了符合需要的颜色混合方案。
权利要求
1.一种用于驱动气体放电灯(14)的系统(10)，该系统包括一个桥式电路(18)，设计为提供脉冲电压信号；一个控制器(20)，连接到所述桥式电路(18)，所述控制器(20)被设计为产生对应于理想波形(140)的脉宽调制信号(144)，其中，所述理想波形包含扫描频率信号以及固定频率的振幅调制信号；以及一个滤波器电路(86)，连接到所述桥式电路(20)和所述气体放电灯(14)，并且被设计为接收由所述桥式电路(20)提供的所述脉冲电压信号并且对其进行滤波。
2.如权利要求1所述的发明，其中，所述控制器还包括AM/FM信号发生器(94)，用于提供具有所述理想波形的信号；和脉宽调制模块(92)，连接到所述信号发生器，并且被设计为提供所述脉宽调制信号。
3.如权利要求2所述的发明，其中，所述信号发生器为数字信号处理器件。
4.如权利要求2所述的发明，其中，所述脉宽调制模块根据对称三角形信号方案(162)运行。
5.如权利要求2所述的发明，其中，所述脉宽调制模块根据非对称三角形信号方案(142)运行。
6.如权利要求2所述的发明，其中，所述控制器还包括一个微处理器(96)，被设计为接收对应于提供给所述气体放电灯的电流和电压信号的测量信号。
7.如权利要求6所述的发明，其中，所述信号发生器提供对应于下式的信号A(1+mCosWmt)CosWc(t)t式中的m为所述调制信号的调制指数，Wm为调制频率，Wc(t)为载波频率，A为所述调制信号的振幅。
8.如权利要求7所述的发明，其中，所述微处理器提供所述参数A，m，Wm和Wc(t)的值。
9.如权利要求2所述的发明，其中，所述滤波器电路设计为低通滤波器，使得所述滤波器的谐振频率大于所述放电灯驱动波形的电压频谱的频率成分，并且所述谐振频率的三分之一位于所述电压频谱的不使用的区域。
10.一种用于驱动气体放电灯(14)的方法，该方法包括提供用于驱动所述气体放电灯(14)的脉冲电压信号，所述脉冲电压信号与脉宽调制信号(144)有关；对所述脉冲电压信号进行滤波，给所述气体放电灯(14)提供经过滤波的脉冲电压；以及生成对应于理想波形的所述脉宽调制信号(144)，其中，所述理想波形包括扫描频率信号和固定频率的振幅调制信号。
11.如权利要求10所述的方法，还包括如下步骤由信号发生器(94)生成具有所述理想波形的信号；以及给所述脉宽调制模块(92)提供具有所述理想波形的信号，以便生成所述脉宽调制信号。
12.如权利要求11所述的方法，还包括如下步骤通过数字信号处理器件生成具有所述理想波形的信号。
13.如权利要求11所述的方法，还包括如下步骤根据对称斜坡信号方案运行所述脉宽调制模块。
14.如权利要求11所述的方法，还包括如下步骤根据非对称斜坡信号方案运行所述脉宽调制模块。
15.如权利要求11所述的方法，还包括如下步骤接收对应于提供给所述气体放电灯的电流和电压信号的测量信号。
16.如权利要求14所述的方法，还包括如下步骤生成对应于下式的信号A(1+mCosWmt)CosWc(t)t式中的m为所述调制信号的调制指数，Wm为调制频率，Wc(t)为载波频率，A为所述调制信号的振幅。
17.如权利要求11所述的方法，其中，所述滤波的步骤还包括如下步骤将滤波器电路(86)的谐振频率设置为大于所述放电灯驱动波形的电压频谱的频率成分，并使所述谐振频率的三分之一位于所述电压频谱的不使用的区域。
全文摘要
按照本发明的一种实施例，用于驱动气体放电灯的系统包括一个桥式电路和一个控制器，其中，桥式电路被设计为提供脉冲电压信号；而控制器被设计为生成对应于理想电压波形的脉宽调制信号。还设计滤波器电路接收由桥式电路提供的脉冲电压信号并且对其进行滤波。在本发明的一种实施例中，气体放电灯由对应于脉宽调制信号的脉冲电压信号驱动。对应于理想波形生成脉宽调制信号，其中，理想波形包括扫描频率信号和固定频率的振幅调制信号。
文档编号H05B41/36GK1401208SQ01804829
公开日2003年3月5日 申请日期2001年9月26日 优先权日2000年10月6日
发明者D·A·坎马克 申请人:皇家菲利浦电子有限公司