[發明專利]用于高強度氣體放電燈的高頻電子鎮流器的新穎電路設計和控制技術

有效

• 申請號: 02102823.0
• 申請日: 2002-01-24
• 公開（公告）號: CN1370037A
• 公開（公告）日: 2002-09-18
• 發明（設計）人: 許樹源;鐘樹鴻
• 申請（專利權）人: 香港城市大學
• 主分類號: H05B41/288
• 分類號: H05B41/288
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司
• 代理人: 程偉

技術領域

本發明涉及用于高強度氣體放電燈(HID)的高頻(20KHz至1MHz)電子鎮流器的新穎電路設計和控制技術，比如金屬鹵化物燈，它能確保成功地啟動燈并且提供電路保護措施。本發明特別地涉及適用于氣體放電燈系統的鎮流器——然而不受限于此，在該系統中該HID燈通過一較長的電纜與該鎮流器電路相連接。

背景技術

在各種各樣的光源中，高強度氣體放電燈(HID)顯示出高亮度效力和具有高能量致密光源特征的優良光色再現的最佳結合。HID燈已經應用于許多實際應用場合，比如使用紫外線燈照明的較大區域的強力泛光照明，舞臺，演播室，和娛樂性場所。

高頻電子鎮流器的使用能夠減小鎮流器的尺寸和重量，并改進系統的功效。這種特性特別適用于低瓦特HID燈，因為希望整個照明系統為小尺寸。另外，由于工作頻率的增大，重復點亮和熄滅的峰值現象會消失，這樣可以使燈具有更長的壽命。HID燈的負載特性可近似為純電阻，而燈的(功率)因數接近于一。在光的輸出中沒有任何閃爍效果和頻閃效果并且光通量會提高。盡管如此，由于壓力駐波(聲頻共振)現象的出現，具有高頻電流波形的高壓HID燈的操作會發生偏置。這種聲頻共振會引起電弧位置和光色等的變化或者產生不穩定電弧，有時電弧的不穩定可以導致電弧的熄滅。

對于聲頻共振的常規解釋為從該被調制的放電電流中輸入的周期性功率會引起燈中的氣體的壓力振蕩。如果功率頻率位于或接近燈的本征頻率，燈中將會出現行波。這些行波朝著放電管壁的方向傳播并且在管壁上進行反射，其結果是形成了具有大幅值的駐波。氣體密度中的強烈振蕩可以扭曲放電通道，反過來又會扭曲影響驅動該壓力波的功率輸入(見W.嚴，Y.K.E.何和S.Y.R.惠所著“對小瓦特高強度氣體放電(HID)燈的穩定性研究和控制方法(Stability?study?and?controlmethods?for?small-wattage?high-intensity-discharge(HID)lamps)”，IEEE工業應用學報，2001年9月-10月，第5期，第37卷，第1522-1530頁)。燈的本征頻率取決于電弧容器的幾何尺寸、填充氣體以及氣體的熱力學狀態變量(如壓力、溫度、氣體密度)。

為了避免因聲頻共振而導致的不穩定，許多關于鎮流器電路拓撲或控制方法的論文被相繼發表(嚴等人以及J.D.波爾和R.熱德爾所著的“用于高強度氣體放電燈的高效能電子鎮流器(High?efficiencyelectronic?ballast?for?high?intensity?discharge?lamps)”，美國專利5,677,602，1997年10月14日)。

圖1所示為一典型的電路配置，主要地，它由功率因數校正電路、輸出逆變器，和一控制燈的網絡電路組成。有兩種基本的處理聲頻共振現象的方法：

1)輸出逆變器工作在一頻率上，該頻率遠離燈的聲頻共振的頻率范圍。這類鎮流器可以分為：(i)直流鎮流器；(ii)調諧高頻鎮流器；(iii)超高頻鎮流器。

2)使用固定的或隨機頻率來調制輸出逆變器的切換頻率。該輸入功率分布在一很寬的頻譜范圍內，從而對位于某一頻率段上的輸入功率的幅度進行最小化。

在點火過程中放電燈要經歷幾個階段，其轉變過程可以描述如下：一開始燈的電阻非常大(近似為一開路)，然后在一很短的時間段內幾乎變為零(瞬態短路轉變)，最后燈的電阻又逐漸增大直至其達到一穩定狀態。必須獲得足夠的能量和一個低阻抗的放電通道以便于在啟動階段快速放電。因此，負載效果(1)燈的電阻和(2)連接燈管和諧振環中的鎮流器電路的電纜的阻抗有時足夠的大，以至于初始化電弧電流不能夠被維持并且放電燈會熄滅。所以，在點火階段應該獲得維持該電流的足夠的能量和低阻抗的電流放電。如果使用一個很長的電纜來連接放電燈和該鎮流器，這種情形尤為的嚴重，因為長電纜具有相對較大的電感，該電感將會限制電流di/dt的變化率。由于上述過渡過程的特性，很難識別該鎮流器電路的輸出是處于短路狀態，還是該放電燈處于正常運行狀態。

以前的許多鎮流器并不從鎮流器中提供足夠的放電電弧電流以便在啟動之后維持該電弧。如果初始放電電流并不足夠的大，該放電燈將嘗試重新啟動但是電弧會很快熄滅，因為沒有足夠的能量來維持電弧燈管中的電弧。這會經常引起燈的閃爍和/或不可靠的燈的操作。另外，在有些現有技術的設計中的開路和短路保護電路是基于監測燈的電壓和電流狀態的。為了區分燈的故障或正常操作，控制邏輯比較復雜。