专利名称：用于驱动hid灯的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及放电灯领域，所述放电灯尤其是HID灯，即也表示为高压放电灯的高强度放电灯。
背景技术：
这样的HID灯是公知的。因此，这里省略了详尽的解释。一言以蔽之，这种灯在大多数情况下包括细长的密封放电容器，该放电容器填充有可电离的气体填充物并且具有两个贯穿容器壁的电极。可替换地，放电容器可以为球形。在操作期间，高电压造成放电，导致通过电离气体允许所述电极之间的灯电流的导电等离子体。只要电流流动，等离子体就被维持。产生的光的量取决于电流幅度，并且颜色也可能随着电流而变化。原则上，有可能电流仅仅在一个方向上流动(DC)。然而，这导致所述电极之一的不希望的耗损以及因而这种灯的寿命的减少。因此，已经长时间知道操作具有交变电流方向的灯，所述交变电流方向表示为换向直流，即电流幅度保持恒定，但是方向以换向频率改变。换向频率典型地大约为70-400HZ。这种类型的操作也表示为低频方波电流。考虑到光输出和能耗，HID是有利的。为了驱动这样的灯，需要电子驱动器。已经开发了若干类型的驱动器。一种被证明为可靠、高效、小尺寸、少部件和低成本的驱动器拓扑结构是半桥换向正向(HBCF)拓扑结构。此外，由于HBCF驱动器已经变成大量应用于灯系统中的流行驱动器，因而大规模制造进一步降低了成本。因此，希望的是提供一种包括灯和灯驱动器的组合的灯系统，其中灯为HID灯并且其中驱动器具有HBCF拓扑结构；这样的系统在下文中将表示为HID/HBCF系统。
发明内容
在使用中，希望的是能够对灯进行调光。由于光输出典型地与灯电流成比例，因而调光可以通过降低灯电流来实现。在HID/HBCF系统中，发现了这样的问题:HID灯倾向于在调光时熄灭，其中灯熄灭所在的调光水平可能视情况而定。本发明的目的是提供该问题的一种解决方案，或者无论如何降低灯的熄灭倾向。本发明提出的解决方案基于熄灭问题背后的物理过程的理解。在HBCF驱动器中，换向电流源接收来自具有比灯的操作电压更高的适当电压的DC电压源的功率，所述操作电压典型地处于80-90V的范围内。然而，紧接在换向时刻之后，灯的电压短暂地上升到可能为两倍高的值，并且这随着灯电流降低而变得更糟。当灯电压达到电压源的输出电压时，电流源不再能够维持灯电流，导致灯的电压的进一步增加。这样，灯电流崩塌:灯熄灭。基于该理解，本发明提出在调光期间增加DC电压源的输出电压:这将允许电流源更好地维持灯电流并且避免熄灭。从属权利要求中提到了进一步的有利详尽细节。
本发明的这些和其他方面、特征和优点将通过一个或多个优选实施例的以下描述参照附图进一步加以解释，在附图中相同的附图标记表示相同或相似的部分并且在附图中:
图1示意性地示出了灯系统的框 图2为示出正常模式下作为时间函数的灯电流和灯电压的曲线 图3为示出调光模式下依照现有技术的作为时间函数的灯电流和灯电压的曲线 图4为示出调光模式下依照本发明的作为时间函数的灯电流和灯电压的曲线 图5A-5D为图解说明中间电压与调光水平之间的关系的若干实施例的曲线图。
具体实施例方式图1示意性地示出了依照本发明的用于驱动HID灯2的灯系统I的框图。该系统包括第一级10、第二级20和控制设备60。第一级10具有用于连接到在欧洲典型地为230V i 50Hz的市电电压M的输入终端11、12和用于提供DC输出电压Vtl的输出终端18、19。尽管这是用于第一级10的输出电压，但是它不是系统输出电压，因此，该电压在下文中也将表示为中间电压％。该中间电压V0典型地高于标称市电电压，因此，第一级10也表示为上转换器。第一级10被设计成执行功率因子校正的功能，因此，第一级10也表示为PFC级。灯驱动器中的上转换器级是公知的，并且对于本领域技术人员而言，无需对于其设计和操作的详细描述和解释。举例而言，该解说明了一种降压转换器设计，包括电感器14和二极管15的串联布置以及连接到电感器14与二极管15之间的节点的可控开关16，但是其他的设计也是可能的。重要的是，上转换器10为可控上转换器，具有用于接收能够调节中间电压水平VO的电压控制信号Sv的控制输入17:在该实例中，如本领域技术人员已知的，这样的控制信号Sv控制开关16的开关。系统I进一步包括整流器13，该整流器可以如图所示为上转换器10的组成部分，但是该整流器也可以是上转换器10之前的单独的级。第二级20具有连接到上转换器10的输出终端18、19的电压轨线21、22以及用于连接到HID灯2的输出终端28、29。由于在正常操作中输出电压将低于输入电压，因而第二级20也表示为下转换器。第二级20被设计成执行换向电流源的功能并且被设计为HBCF电路，因此，第二级20也表示为HBCF电流源。该设计是公知的，并且对于本领域技术人员而言，无需设计和操作的详细描述和解释；举例而言，参阅W0-2008/072136。一言以蔽之，HBCF电流源20包括连接在所述两个电压轨线21、22之间的两个可控开关Q1、Q2的第一串联布置23，连接在所述两个电压轨线21、22之间的两个电容器Cl、C2的第二串联布置24，以及所述输出终端28、29、电感器26和电容器27的第三串联布置25，该第三串联布置连接在一方面为所述两个可控开关Q1、Q2之间的节点A和另一方面为所述两个电容器C1、C2之间的节点B之间。重要的是，HBCF电流源20为可控电流源，具有用于接收能够调节输出电流幅度的电流控制信号S1的控制输入31:在该实例中，如本领域技术人员已知的，这样的控制信号S1控制开关Ql、Q2的开关。应当指出的是，HBCF电流源20可以包括开关控制器30，该开关控制器如图所示接收单个控制信号S1并且产生用于开关Ql、Q2的单独的控制信号。然而，同样可能的是，HBCF电流源20接收用于直接连接到各开关Q1、Q2的两个分开的控制信号，在这种情况下，这样的两个分开的控制信号的组合将表示为“电流控制信号”。系统I进一步包括控制设备60，该控制设备具有耦合到可控上转换器10的控制输入17的电压控制输出61以及耦合到可控HBCF电流源20的控制输入31的电流控制输出62。典型地，控制设备60也将具有用户输入63，该用户输入用于接收指示希望的调光水平的用户输入信号S 。用户输入信号Su可以通过诸如例如与控制设备60关联的电位计之类的用户可操作输入设备64产生，但是也可能的是，用户输入信号Su通过更高级别的控制设备或者通过远程控制系统的接收器产生。应当指出的是，可控上转换器10和可控HBCF电流源20事实上可以是标准部件。本领域技术人员会知道什么类型的控制信号是所需要的以及应当如何适应性调节这些控制信号以便获得某个希望的中间电压水平Vtl和某个希望的输出电流幅度，从而在这里解释这些细节是不必要的。灯系统I被设计用于驱动特定类型的灯并且具有与某个标称能耗、该特定灯类型的某个标称光输出、某个标称灯电流幅度In和针对中间电压水平Vci的某个标称值Vn相应的某个标称额定值。控制设备60能够操作于正常模式下，在该模式下它产生其控制信号Sv和S1，使得这些标称规范被满足。应当指出的是，这样的标称控制信号可以是固定的，由制造商设定，但是也可能的是，灯系统I包括用于测量实际中间电压水平Vtl的电压传感器以及用于测量实际输出电流的电流传感器，在这种情况下，这些传感器向控制设备60提供反馈信号并且控制设备60适应性调节其控制信号Sv和S1,使得实际中间电压水平Vtl和实际输出电流等于希望的目标值 ，但是为了方便起见这点未被示出。现在将参照图2和图3解释系统的操作。图2为示出正常模式下作为时间函数的输出电流和输出电压(即灯电流和灯电压)的曲线图。该图示出灯电流具有恒定标称幅度In (可能的小电流纹波未被示出)，但是以换向周期Tc和换向频率fc=l/Tc在换向时刻tl、t2、t3等改变方向，所述换向频率可以处于大约70Hz至大约400Hz的范围内。图2也示出了灯电压表现出相似波形的恒定值，其与灯电流同步地改变符号。应当指出的是，换向并非如图所暗示的那样无限地快，而是实际上花费一定的换向时间，但是为了方便起见这点未被示出。因此，在换向期间，电流幅度降低至零并且然后再次上升到标称值IN。在该短暂的换向持续时间内，灯中的等离子体不像正常情况那样被维持，并且灯中的放电倾向于停止。因此，在换向之后，放电需要再点火电压脉冲Vp形式的升压；这点也在图中示出。由于灯特性的原因，灯上的电压降将基本上具有恒定值。该恒定电压降的精确值可以取决于诸如使用的材料和尺寸之类的特定灯参数，但是典型地处于80-90V的范围内。再点火电压脉冲Vp典型地可以具有大约160V的振幅。尽管中间电压Vtl的精确值不是关键的，但是它必须被设定为大于再点火电压脉冲Vp的期望值的两倍以便适应正负脉冲，并且应当存在留下的一定裕度。另一方面，在中间电压Vtl的值更高的情况下，系统中的耗散损失增加并且部件的温度升高，因此希望的是保持中间电压Vtl为低。在实践中，中间电压Vtl典型地被设定为具有大约400V的标称值\。控制设备60也能够操作于调光模式下,在该模式下它产生其控制信号Sv和S1,使得光输出小于标称值。更多的调光将意味着更少的光。为了避免误解，将调光水平β限定在从O至I (或者0%至100%)的范围内，其中调光水平O与满调光以及因而零光输出相应，并且其中调光水平I与无调光以及因而标称光输出相应。本领域技术人员应当认识到，在电流幅度与光输出之间存在一定关系。有可能着眼于观察者在光输出方面考虑调光；在这样的解释中，“调光水平β ”将表示实际光输出水平为标称光输出水平的β倍，这与不一定等于标称电流幅度的β倍的降低的电流幅度相应。也可能着眼于电流控制而考虑调光；在这样的解释中，“调光水平β”将表示实际电流幅度为标称电流幅度的β倍，这与不一定等于标称光输出水平的β倍的降低的光输出水平相应。这些方法被认为是等效的:如果按照因子β I调光电流，那么光将按照因子β2被调光，其中β 2可以不等于β ，并且其中比值β2/β1不必是恒定的。为了方便解释本发明，在下文中假设光输出与电流幅度成正比，在实践中情况不必如此。图3为可与图2相比较的图解说明调光操作的曲线图。调光通过降低电流幅度而执行:因此，该图示出灯电流具有恒定幅度β.ΙΝ。鉴于灯电流更低，灯电极的温度将更低，导致灯上的电压降增大。此外，换向之后放电的再点火将更加困难，需要更高的再点火电压脉冲Vp。总之，中间电压Vtl和正负再点火电压脉冲之间的顶部-顶部距离之间的裕度降低。在现有技术系统中，在调光期间，中间电压Vtl在标称值Vn处维持恒定。随着调光水平的降低，对于HBCF电流源而言在需要的输出电压处实际地产生希望的输出电流变得更加困难。不希望的闪烁可能出现，并且灯可能甚至熄灭。由于这显然不是所希望的，因而调光水平不可以降低至这样的现象发生的值；换言之，可允许的调光范围是有限的。图4为可与图3相比较的曲线图，其图解说明了依照本发明的调光操作。为了避免或者至少减轻上面提到的问题，控制设备60在调光模式下被设计成产生其电压控制信号Sv，以便将中间电压Vtl增大到高于标称值Vn的值Vh。在一个适当的实施例中，该值Vh比Vn 高 30%。存在若干可能的用于实现本发明的方法，这些方法将参照图5A- 进行解释，图5A- 为图解说明中间电压V tl与调光水平β之间的关系的曲线图。在一个实施例中，当处于调光模式时中间电压Vtl总是增大到所述更高的值Vh，而不管实际调光水平如何，即对于所有β〈1的值都如此(参见图5Α)。然而，看起来合理的是认为对于靠近I的调光水平无需这样的增大。因此，在另一个实施例中，限定调光水平阈值β τ,并且对于β τ〈 β〈I总是将中间电压Vtl设定在标称值Vn处且对于β〈 β τ的所有值总是将中间电压设定在增大的值％处(参见图5Β)。对于β=βτ，中间电压VO可以等于￥1<或者等于VH。在又一个实施例中，认为增大Vtl的愿望随着调光水平的减小而变得更加强烈。因此，可以限定多个阈值β Τ1、β Τ2> β Τ3等，同时在两个相邻阈值之间，中间电压Vtl总是恒定的，而对于低于一个这样的阈值的β而言，中间电压Vtl比针对高于相同阈值的β的情况更高(参见图5C)。阈值之间的距离不必互相相等，并且不同阈值处的电压阶跃不必互相相
坐寸O尤其是在其中调光水平可以逐渐降低或增大的应用中，但是不限于这样的应用，优选的是在通过某个调光水平值时不使用从一个离散电压值到另一个离散电压值的阶梯式转变。因此，在另一个实施例中，中间电压Vtl为调光水平β的连续函数。解说明了这样的实施例，其中调光水平范围限定在两个边界值β 和β2之间。在该范围内，中间电压Vtl可以与β成线性比例，即叭/叩为常数。较高的边界值β2可以等于1，和/或较低的边界值βI可以等于零。代替线性关系的是，渐进或曲线关系是可能的，其中曲线的凹侧向上或向下指向。S形曲线也是可能的。此外，有可能具有这样的范围中的两个或更多个，其中一个范围内的关系不同于另一个范围内的关系。在一个被认为适当的实验测试的实施例中，存在两个范围。在从β =0至β = β τ的第一范围内，中间电压V。总是等于VH。在从@=^至β=1的第二范围内，中间电压V。依照以下公式与β成比例
权利要求
1.用于驱动HID灯(2)的灯系统(I)，该系统包括: 可控上转换器电压源级(10)，其具有用于连接到市电(M)的输入终端(11，12)并且具有用于提供中间电压(Vtl)的输出终端(18，19)； 可控HBCF电流源级(20)，其具有被连接以接收来自电压源级(10)的中间电压(Vtl)的电压轨线(21，22)，并且具有用于连接到灯(2)的输出终端(28，29)，该电流源级被设计成产生具有交变电流方向的换向DC灯电流(I); 控制设备(60 )，其用于控制上转换器级(10 )和电流源级(20 ); 其中控制设备(60)能够操作于正常模式和调光模式，其中灯电流幅度可以表达为等于β.ΙΝ，In表示标称灯电流幅度，并且β表示从O至I的范围内的调光水平； 其中在正常模式下，控 制设备(60)被设计成分别产生用于上转换器级(10)和电流源级(20)的控制信号(Sv，S1),使得中间电压(Vtl)具有预定标称值(Vn)并且灯电流(I)具有预定标称幅度(In); 并且其中在调光模式下，控制设备(60)被设计成产生用于电流源级(20)的电流控制信号(S1),使得灯电流(I)具有比标称电流幅度(In)更低的幅度(β.ΙΝ);并且其中在调光模式下，对于至少调光水平β的值范围而言，控制设备(60)被设计成产生用于上转换器级(10)的电压控制信号(Sv)，使得中间电压(Vtl)具有比标称中间电压水平(Vn)更高的值(VH)。
2.依照权利要求1的系统，其中中间电压(Vtl)对于β〈1的所有值而言具有所述更高的值(VH)。
3.依照权利要求1的系统，其中中间电压(Vtl)对于β〈βτ的所有值而言都具有所述更高的值(Vh)并且对于处于范围βτ〈β〈1内所有β值而言都具有标称值(VN)，βτ表示预定阈值调光水平。
4.依照权利要求1的系统，具有至少一个预定阈值调光水平(βτ1，βΤ2，βΤ3)，其中中间电压(Vtl)对于比这样的阈值调光水平更低的调光水平而言具有较高的值并且对于比相同阈值调光水平更高的调光水平而言具有较低的值。
5.依照权利要求1或4的系统，具有至少两个预定阈值调光水平(βΤ1，β Τ2，β Τ3)，其中中间电压(Vtl)对于介于两个连续阈值调光水平之间的所有β值而言都具有恒定的值。
6.依照权利要求1的系统，具有至少一个介于两个预定边界值βI和β 2之间的调光范围，其中在这样的调光范围内，中间电压(Vtl)为调光水平β的连续函数，其中所述边界值之一可以等于O和/或其中所述边界值之一可以等于I。
7.依照权利要求6的系统，其中所述连续函数为线性函数。
8.依照权利要求1的系统，具有其中中间电压(Vtl)总是具有所述更高的值(Vh)的介于O与预定第一边界值β I之间的调光范围，并且具有其中中间电压(Vtl)总是具有标称值(Vn)的介于I与预定第二边界值β 2之间的调光范围。
9.用于驱动HID灯(2)和对其调光的方法，该方法包括步骤: 提供可控HBCF电流源级(20)； 使用HBCF电流源级(20)产生具有交变电流方向的换向DC灯电流(I); 向HBCF电流源级(20)供应中间电压(V。)；在正常模式下，产生换向DC灯电流(I)，其具有预定标称电流幅度(IN)，同时中间电压(V0)具有预定标称水平(Vn)； 以及在调光模式下，产生换向DC灯电流(I)，其具有比所述标称电流幅度(In)更低的电流幅度，同时中间电压(Vtl)具有比所述标称水平(Vn)更高的水平(Vh)。
10.依照权利要求9的方法，其中通过逐渐降低电流幅度对HID灯(2)调光，并且其中在通过预定阈值调光水平(β τ ; β Τ1，β χ2 β ra)时阶梯式地增大中间电压(V(|)。
11.依照权利要求9的方法，其中通过逐渐降低电流幅度对HID灯(2)调光，并且其中至少在某个调光范围内，与电流幅度的降低成比例地连续增大中间电压(％)。
12.依照权利要求9的方法，其中通过将电流幅度从第一值降低至第二值而对HID灯(2)调光，并且其中在减小电流幅度之前将中间电压(Vtl)增大到与第二电流值相应的电压值。
13.依照权利要求9的方法，其中通过将电流幅度从第一值增大至第二值而降低HID灯(2)的调光，并 且其中在增大电流幅度之后将中间电压(Vtl)减小到与第二电流值相应的电压值。
全文摘要
一种用于驱动HID灯(2)和对其调光的方法，该方法包括步骤提供可控HBCF电流源级(20)；使用HBCF电流源级(20)产生具有交变电流方向的换向DC灯电流(I)；向HBCF电流源级(20)供应中间电压(V0)。在正常模式下，产生换向DC灯电流(I)，其具有预定标称电流幅度(IN)，同时中间电压(V0)具有预定标称水平(VN)。在调光模式下，产生换向DC灯电流(I)，其具有比所述标称电流幅度(IN)更低的电流幅度，同时中间电压(V0)具有比所述标称水平(VN)更高的水平(VH)。
文档编号H05B41/292GK103202103SQ201180054411
公开日2013年7月10日 申请日期2011年11月4日 优先权日2010年11月10日
发明者J.P.维纳斯, R.H.A.M.范曾德特, M.C.范米尔 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司