运行高压放电灯的电路装置和高压放电灯的运行方法

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于运行高 压放电灯的电路装置，一种脉冲点火装置和一种具有脉冲点火装置 的高压放电灯，以及一种用于运行高压放电灯的方法。

现有技术

例如在Michael Gulko和Sam Ben-Yaakov著的“A MHz Electronic Ballast for Automotive-Type HID Lamps”(IEEE Power Electronics Specialists Conference，PESC-97，第39-45页，St.Louis， 1997)的文章中说明了这种电路装置。在该出版物中公开了一种电 流馈电的推挽转换器，该推挽转换器通过变压器将高频交流电压施 加在接有高压放电灯的负载电路上。此外，点火装置的点火变压器 的次级绕组被接入该负载电路中，所述次级绕组产生点火电压，用 于在高压放电灯中对气体放电点火。

公开文献WO 98/18297说明了一种推挽转换器，该推挽转换器 通过变压器将高频交流电压施加在负载电路和在电流上与之分开的 脉冲点火装置上。高压放电灯被接入负载电路中。在点火阶段期间， 脉冲点火装置将高压脉冲提供给高压放电灯的点火辅助电极。

发明内容

本发明的任务是提供具有对脉冲点火装置的改善的电压供应的 这种电路装置。另外，本发明电路装置还应保证：用兆赫范围中的 交流电压来高频运行高压放电灯，并且在该灯中可靠地对气体放电 点火。

根据本发明，通过权利要求1的所述特征来解决该任务。在从属 权利要求中说明了本发明的特别有利的实施方案。

用于运行高压放电灯的本发明电路装置具有用于产生交流电压 的电压转换器、以及连接在其上的或被构造为电压转换器地组成部 分的变压器、和用于在高压放电灯的点火阶段期间对脉冲点火装置 进行电压供应的串联谐振电路，其中所述变压器的次级绕组给负载 电路馈电，该负载电路配备有高压放电灯用的和脉冲点火装置的点 火电压输出端用的端子。借助上述的串联谐振电路，在高压放电灯 的点火阶段期间在脉冲点火装置的电压输入端处提供从电压转换器 的输出电压所产生的、谐振升高的供电电压。通过供电电压的用串 联谐振电路所引起的谐振升高(Resonanzüberhhung)，可以将具 有在次级和初级绕组之间较小的匝数比和与之相应降低了的电感的 点火变压器用于脉冲点火装置，以便为高压放电灯提供必要的点火 电压。尤其是在远在100kHz之上的工作频率的情况下，点火变压 器的降低了的电感具有以下的优点，即当在高压放电灯中实现了气 体放电的点火之后，在点火变压器的由灯电流所流过的次级绕组上 出现明显减小的电压降，并且由此使在电压转换器的电压输出端处 的变压器中的和在电压转换器的电子元件中的损耗明显降低。上述 的串联谐振电路因此实现了电压转换器与脉冲点火装置的组合，所 述电压转换器是针对明显在100kHz之上的较高的工作频率来设计 的，所述脉冲点火装置的点火变压器可以直接被接入由电压转换器 供电的负载电路中，并且所述脉冲点火装置不必像在公开文献WO 98/18297中所说明的那样以在电流上与负载电路分开的方式来布 置。由此可以大大简化电路装置的拓扑。尤其是在高压放电灯的情 况下可以放弃点火辅助电极。特别有利地可以将本发明应用于单级 电压转换器上、尤其是应用于被构造为电流馈电的推挽转换器或者E 类转换器(Klasse-E-Konverter)的电压转换器上，所述电压转换 器不需要产生中间电路电压。这些上述的单级电压转换器的电路拓 扑是比较简单的，并且因此是成本有利的。

根据本发明的一种优选的变型方案，上述的串联谐振电路连接在 变压器的次级绕组上，并且在连接有高压放电灯的情况下，与高压 放电灯的放电间隙并联。因此，如果在高压放电灯的点火阶段期间 电压转换器的开关频率位于串联谐振电路的谐振频率附近，则与在 变压器的次级绕组中相比，在串联谐振电路的元件上产生用于脉冲 点火装置的较高的电压。在结束点火阶段之后，通过高压放电灯的 现在导通的放电间隙来使串联谐振电路短路，并且由此使脉冲点火 装置去激活。

根据本发明的另一种优选的变型方案，串联谐振电路在变压器的 初级侧被接入电压转换器中。为此目的，串联谐振电路的谐振电感 优选地被构造为其次级绕组可以与脉冲点火装置的电压输入端相连 接的自耦变压器。这里可以用简单的方式通过改变、优选地通过提 高电压转换器的开关频率导致在结束高压放电灯的点火阶段之后使 脉冲点火装置去激活。在点火阶段期间，电压转换器的开关频率位 于串联谐振电路的谐振频率附近。

为了进一步减少电路装置中的损耗功率，以有利的方式在负载电 路中布置电容器，该电容器在所连接的脉冲点火装置的情况下与点 火变压器的次级绕组串联，并且如此来确定该电容器的电容的大 小，使得所述电容器对于由脉冲点火装置所产生的点火脉冲来说基 本上表现为短路，并且当在高压放电灯中实现了气体放电的点火之 后，引起对由灯电流所流过的点火变压器的电感的部分补偿。该电 容器也可以有利地被构造为串联谐振电路的组成部分。

根据本发明的一种有利的实施形式，串联谐振电路被构造为脉冲 点火装置的组成部分，该脉冲点火装置以与高压放电灯的运行设备 的其余元件分开的方式被安置在高压放电灯的灯座中。因此将所有 引导高压的元件都被布置在灯座中，使得仅用少于100V的较低的电 压施加在运行设备和高压放电灯之间的接口上，该运行设备包含具 有在其电压输出端上的变压器的电压转换器。该接口因此不要求高 压绝缘，而是仅要求对高频交流电压的屏蔽，以便保证运行设备和 灯的足够的电磁兼容性。例如这借助接地的金属壳体或屏蔽和其屏 蔽网同样接地的同轴电缆以已知的方式来实现。

因此，本发明的脉冲点火装置除了通常的元件之外还具有一个串 联谐振电路，该串联谐振电路与所述脉冲点火装置的电压输入端相 连接，并且用来在点火阶段期间使在电压输入端上所提供的供电电 压谐振增高。

对上述的串联谐振电路替代地或者附加地，也可以在电路装置或 脉冲点火装置中采用倍压级联电路，以便为脉冲点火装置提供比由 变压器的次级绕组所产生的感应电压更高的输入电压。所述倍压级 联电路与电压转换器相组合提供与上述串联谐振电路类似的优点。 当然，具有串联谐振电路的变型方案相对于具有级联电路的变型方 案而言具有以下的优点，即它不需要用于使脉冲点火装置去激活的 开关装置。

要么直接由电压转换器、要么由推挽转换器的电压输出端处的变 压器的次级绕组以有利的方式对倍压级联电路供应能量。如果以与 串联谐振电路相组合的方式使用倍压级联电路，则级联电路的电压 输入端与一谐振电路元件并联，并且其电压输出端与脉冲点火装置 的电压输入端相连接。

根据本发明的另一变型方案，替代于上述倍压级联电路，可以在 电路装置或脉冲点火装置中采用对称的倍压电路，以便为脉冲点火 装置提供比由变压器的次级绕组所产生的感应电压更高的输入电 压。如果倍压是足够的，则所述倍压电路以组合的方式提供与上述 的级联电路类似的优点。也可以以与上述串联谐振电路组合的方式 使用该对称的倍压电路。该对称的倍压电路具有在供电电压的正和 负半波期间近似对称的电流消耗的优点，并且避免了对在电压转换 器的电压输出端处的变压器的芯的不对称的磁性调节。

要么直接由电压转换器、要么由在推挽转换器的电压输出端上的 变压器的次级绕组以有利的方式对对称的倍压电路供应能量。如果 以与串联谐振电路相组合的方式使用该对称的倍压电路，则对称的 倍压电路的电压输入端与一谐振电路元件并联，并且其电压输出端 与脉冲点火装置的电压输入端相连接。

用于借助电压转换器和脉冲点火装置来运行高压放电灯的本发 明方法，其特征在于：在高压放电灯的点火阶段期间，借助接近其 谐振频率所运行的串联谐振电路或/和借助倍压级联电路来提高脉冲 点火装置用的供电电压。

本发明的运行方式能够以远在高压放电灯之内的放电介质的声 谐振之上的交流频率来可靠地高频运行高压放电灯。尤其是可以通 过本发明的运行方式保证：一方面在高压放电灯的点火阶段期间产 生足够高的点火电压，另一方面在结束点火阶段之后、在灯运行期 间点火变压器的由高频灯电流所流过的次级绕组不引起电路装置中 的不能苛求的功率损耗。

在高压放电灯的点火阶段期间，以接近于串联谐振电路的谐振频 率的开关频率以有利的方式来运行电压转换器，以便为脉冲点火装 置提供谐振升高的供电电压。在结束点火阶段之后，优选地将电压 转换器的开关装置的开关频率向明显在串联谐振电路的谐振频率之 上的频率转移，以便由此使脉冲点火装置去激活。

附图说明

下面借助几个优选的实施例来详细阐述本发明。

图1示出根据本发明第一实施例的电路装置的电路图，

图2示出根据本发明第二实施例的电路装置的电路图，

图3示出根据本发明第三实施例的电路装置的电路图，

图4示出根据本发明第四实施例的电路装置的电路图，

图5示出第一至第四实施例的脉冲点火装置的电路图，

图6示出根据本发明第五至第八实施例的电路装置的电路图，

图7示出级联电路的电路图，所述级联电路用于供应在图6中所 示的第五实施例的脉冲点火装置，

图8示出级联电路与在图6中所示的第五实施例的脉冲点火装置 的组合的电路图，

图9示出对称的倍压电路的电路图，所述对称的倍压电路用于供 应在图6中所示的第六实施例的脉冲点火装置，

图10示出对称的倍压电路与在图6中所示的第六实施例的脉冲 点火装置的组合的电路图。

图1至8中所示的本发明实施例涉及用于运行具有约35W的电 功率消耗的无水银的卤素金属蒸气高压放电灯的电路装置和脉冲点 火装置，该卤素金属蒸气高压放电灯被设置应用于汽车大灯中。

在图1中示出了用于运行上述无水银的卤素金属蒸气高压放电 灯的本发明电路装置的第一实施例。附加地也示出了用于在无水银 的卤素金属蒸气高压放电灯中对气体放电点火的脉冲点火装置，该 脉冲点火装置被安置在灯座中。电路装置包括由汽车的电池组或照 明发电机所构成的直流电源U0、和电感线圈L1、电容器C1、各具 有一个与之并联的二极管D1或D2的两个可控半导体开关S1、S2 和具有两个初级绕组和一个次级绕组的变压器T1。开关S1、S2被构 造为场效应晶体管(MOSFET)，二极管D1或D2是集成在场效应 晶体管S1或S2中的所谓的体二极管(Body-Diode)。如在上面所 引用的现有技术中所述的那样，按照电流馈电的推挽转换器的方式 使电感线圈L1、电容器C1、具有其二极管D1、D2的半导体开关S2、 S2和变压器T1互相连接。借助于电感线圈L1，在变压器T1的两个 同向极化的初级绕组之间的中心抽头M1上注入近似恒定的电流。半 导体开关S2、S2交替地接通，使得总是有两个开关S2、S2中的一 个是闭合的。电路装置的上述元件构成灯的运行部分，所述运行部 分以与灯分开的方式被布置在壳体中。在变压器T1的次级绕组上连 接有负载电路，所述负载电路配备有用于无水银的卤素金属蒸气高 压放电灯La和脉冲点火装置的端子。脉冲点火装置IZV包括点火变 压器T2，该点火变压器T2的次级绕组L2b被接入负载电路中。由 谐振电感L3和谐振电容器C4所组成的串联谐振电路与变压器T1 的次级绕组并联，该次级绕组构成电流馈电的推挽转换器的电压输 出端。脉冲点火装置IZV的电压输入端与谐振电容器C4并联。串 联谐振电路C4、L3在这里被构造为脉冲点火装置IZV的组成部分， 并且与该脉冲点火装置IZV一起被安置在无水银的卤素金属蒸气高 压放电灯La的灯座中。运行部分和点火部分在这里通过屏蔽的同轴 电缆互相连接。

在图2中所示的本发明第二实施例与上述的第一实施例的不同 之处仅在于，不将串联谐振电路的元件C4、L3构造为脉冲点火装置 IZV的组成部分，而是构造为运行部分的组成部分。出于此原因， 在图1和2中对于相同的元件采用了相同的参考符号。

在图3中所示的根据第三实施例的电路装置与第一实施例的不 同之处仅在于附加的电容器C6和电容器C5的标注尺寸 (Dimensionierung)。出于此原因，在图1和3的实施例中对于相 同的元件采用了相同的参考符号。电容器C5、C6和电感L3共同构 成一个串联谐振电路，该串联谐振电路在高压放电灯La的点火阶段 期间对脉冲点火装置IZV供应能量。为此目的，脉冲点火装置IZV 的电压输入端与在该灯的点火阶段期间串联的电容器C5、C6并联。 在结束点火阶段之后，通过该灯La现在导通的放电间隙来使串联谐 振电路的与高压放电灯La的放电间隙并联的元件C5、L3短路，并 且将电流馈电的推挽转换器的开关频率提高到如此程度，使得所述 开关频率位于串联谐振电路的谐振频率附近，该串联谐振电路由现 在与点火变压器T2的次级绕组L2b串联的电容器C6和上述的次级 绕组L2b构成。在结束点火阶段之后、在灯运行期间，电容器C6 引起对点火变压器T2的由灯电流所流过的次级绕组L2b的电感的部 分补偿，由此降低了在推挽转换器的半导体开关S2、S2中和在变压 器T1中的损耗功率。

在表格1中说明了在第一至第三实施例中所采用的元件的标注 尺寸。在图5中示出了上述实施例的脉冲点火装置IZV的电路图。

在高压放电灯La的点火阶段期间，由其例如被构造为微控制器 控制装置的(未示出的)驱动装置以350kHz的开关频率交替地接 通场效应晶体管S1、S2，该开关频率对应于串联谐振电路L3、C4 或L3、C5、C6的谐振频率。在变压器T1的次级绕组上由此产生同 一频率的交流电压，从该交流电压中借助于上述的串联谐振电路产 生通过谐振被升高的约2500V的交流电压。因此在电容器C4上或在 电容器C5、C6的串联电路上，相应高的输入电压U1可供脉冲点火 装置IZV使用，该输入电压U1足以通过整流二极管D3和电阻R1 将脉冲点火装置IZV的点火电容器C3充电到脉冲点火装置IZV的 火花间隙FS的击穿电压。在击穿火花间隙FS时，电容器C3通过点 火变压器T2的初级绕组L2a来放电，并且在其次级绕组L2b中产生 高达30000V的高压点火脉冲用于在高压放电灯La中对气体放电点 火。当在高压放电灯La中实现了气体放电的点火之后，通过灯La 的现在导通的放电间隙来使串联谐振电路L3、C4或L3、C5短路， 并且因此脉冲点火装置IZV的在谐振电容器C4或C5和C6上所提 供的输入电压不再足以将点火电容器C3充电到火花间隙FS的击穿 电压。当在高压放电灯La中实现了气体放电的点火之后，推挽转换 器的开关频率被提高到550kHz的中间频率，并且以30Hz的频移和 500Hz的调制频率围绕上述中间频率来执行对负载电路中的交流电 流的频率调制。在该运行阶段、所谓的起动阶段或灯的所谓功率起 动期间，给灯La供应过高的功率，以便实现高压放电灯La的放电 介质的填充组分的迅速蒸发，并且由此在尽可能短的时间内实现灯 La的完全光辐射。在上述功率起动的结束时，灯交流电流的中间频 率被提高到715kHz的值，以便保证在35W的灯额定功率时的运行。 灯电流的上述频率调制用来避免在灯La的放电介质中的声谐振。在 不再以值得注意的程度激发声谐振的足够高的交流频率的情况下可 以放弃频率调制。

图4中示出了根据本发明第四实施例的电路装置。该电路装置与 第一实施例的不同之处仅在于，通过自耦变压器L4、L4b代替了在 电流馈电的推挽转换器中的电感线圈L1，并且通过脉冲点火装置 IZV’代替了脉冲点火装置IZV。因此在图1和4中相同的元件配备 有相同的参考符号。电感线圈L1的功能在该第四实施例中由自耦变 压器L4、L4b的初级绕组L4承担。上述自耦变压器的次级绕组L4b 具有初级绕组L4的10倍匝数，并且与脉冲点火装置IZV’的电压输 入端相连接。所述次级绕组在高压放电灯La的点火阶段期间对该脉 冲点火装置IZV’供应能量。初级绕组L4的电感为75μH。脉冲点火 装置IZV’同样具有在图5中所示的结构，但是与脉冲点火装置IzV 的不同之处在于其元件的标注尺寸。根据在表格2中的说明来确定 脉冲点火装置IZV’的元件和其具有初级绕组L3a和次级绕组L3b的 点火变压器T3的大小。

在高压放电灯La的点火阶段期间，以100kHz的开关频率来运 行根据第四实施例(图4)的电流馈电的推挽转换器。在上述的点火 阶段期间，元件L4、C1和T1构成串联谐振电路，使得在次级绕组 L4b上为脉冲点火装置IZV’提供借助于谐振升高方法所产生的并且 还根据自耦变压器L4、L4b的次级绕组和初级绕组的匝数比所提高 的约为1000V的输入电压。该输入电压足以将点火电容器C3充电到 火花间隙FS的击穿电压，并且借助点火变压器T3产生高压脉冲， 用于在高压放电灯La中对气体放电点火。如上面已经在第一实施例 中所述的那样，当在高压放电灯La中实现了气体放电的点火之后提 高推挽转换器的开关频率。由于提高了开关频率，在自耦变压器L4、 L4b上的电压降不再足以将点火电容器C3充电到火花间隙FS的击 穿电压。但是，必要时也可以借助附加的开关来保证在点火阶段的 结束时对脉冲点火装置IZV’的去激活。在结束高压放电灯La的点火 阶段之后对该高压放电灯的运行与第一实施例一致。

在图6中示意性地示出了根据第五至第八实施例的电路装置。该 电路装置包括以与第一实施例相同的方式被构造的电流馈电的推挽 转换器。不同于图1的是，在图6中还示意性地示出了具有其集成 的体二极管和其阻挡层电容的场效应晶体管S1、S2以及驱动装置的 内部结构。因此在图1和6中相同的元件具有相同的参考符号。第 五至第八实施例与上述实施例的不同之处在于，不是借助串联谐振 电路、而是借助倍压电路KK来产生脉冲点火装置IZV”用的输入电 压。在第五和第六实施例中，电路KK被构造为三级级联电路，而 在第七和第八实施例中被构造为对称的倍压电路。在变压器T1的次 级绕组上提供倍压电路KK的输入电压U2。倍压电路KK的电压输 入端j1、j2与在负载电路中的变压器T1的次级绕组并联。

根据本发明的第五实施例，以与图5中所示的脉冲点火装置IZV 相同的方式构造脉冲点火装置IZV”，并且将电路KK实施为三级级 联电路。在图7中示出了三级级联电路的细节。在表格3中列出了 用于确定三级级联电路的大小的说明。将三级级联电路的输出电压 U1输送给脉冲点火装置IZV”的电压输入端。在高压放电灯La的点 火阶段期间，以100kHz的开关频率来运行推挽转换器，并且三级 级联电路根据其级的数量来提高变压器T1的次级绕组的感应电压， 并且在其电压输出端上将输入电压U1供脉冲点火装置IZV”使用。 在点火阶段结束时，三级级联电路借助于切断其电压供应的(未示 出的)开关被关断。如已经在第一实施例中所述那样来实现继续的 灯运行。

本发明的第六实施例与第五实施例的不同之处仅在于，脉冲点火 装置和三级级联电路相互结合。这就是说，三级级联电路的元件(诸 如电容器C12、C22、C23)也同时构成脉冲点火装置的元件。由此 可以节省元件。在图8中示意性地示出了三级级联电路与脉冲点火 装置组合的结构。电路装置的功能和灯La的运行与第五实施例一 致。

根据本发明的第七实施例，以与图5中所示的脉冲点火装置IZV 相同的方式构造脉冲点火装置IZV”，并且将电路KK实施为对称的 倍压电路。在图9中示出了对称的倍压电路的细节。在表格4中列 举了用于确定对称的倍压电路的大小的说明。将对称的倍压电路的 输出电压U1输送给脉冲点火装置IZV”的电压输入端。在高压放电 灯La的点火阶段期间，以100kHz的开关频率来运行推挽转换器， 并且对称的倍压电路使变压器T1的次级绕组的感应加倍，并且在其 电压输出端上将输入电压U1供脉冲点火装置IZV”使用。在点火阶 段结束时，对称的倍压电路借助于切断其电压供应的(未图示的) 开关被关断。如已经在第一实施例中所述的那样来实现继续的灯运 行。

本发明的第八实施例与第七实施例的不同之处仅在于，脉冲点火 装置和对称的倍压电路相互结合。这就是说，对称的倍压电路的元 件(诸如电容器C7和C8)也同时构成脉冲点火装置的元件。由此 可以节省元件。在图10中示意性地示出了对称的倍压电路与脉冲点 火装置组合的结构。电路装置的功能和灯La的运行与第七实施例一 致。

本发明不局限于上面详细说明的实施例。例如本发明也可以被应 用于一种脉冲点火装置，该脉冲点火装置的点火电压输出端被设置 用于连接到高压放电灯的点火辅助电极上。倍压级联电路的和对称 的倍压电路的电压输入端在初级侧也可以与推挽转换器相连接，并 且不必一定由变压器T1的次级绕组T1b来馈电。

表格1：根据第一至第三实施例的电路装置的元件的标注尺寸

C1               1.0nF，FKP1(WIMA)

C4               33pF

C5               35pF

C6               570pF

L1               60μH，RM5上20匝，N49(EPCOS)

L3               4.6mH，EFD15，N49，300匝(EPCOS)

T1               EFD25，N59，无空隙，次级：40匝，各具有8匝

                 的两个初级绕组

T2               初级：1匝，次级：20匝

L2b              60μH

S1(&D1)          IRF740，功率MOSFET(国际的整流器)

S2(&D2)          IRF740，功率MOSFET(国际的整流器)

U0               额定42V，允许的：30V至58V

La               无水银的卤素金属蒸气高压放电灯，额定35W，45V

C3               10nF，2.5kV

D3               串联的两个二极管BY505

FS               2000V

R1               30kΩ

表格2：根据第四实施例的脉冲点火装置IZV’的元件的标注尺寸

C3               70nF，1000V

D3               BY505

FS               800V

R1               12kΩ

T3               初级：1匝，次级：40匝

L3b              60μH

表格3：根据图7的三级级联电路的元件的标注尺寸

C11，C21，C31    1.0nF，FKP1(WIMA)

C12，C22，C32    33nF，FKP1(WIMA)

D11，D21，D31    USIM

D12，D22，D32     USIM

FS                2000V

R2                1000Ω

表格4：根据图9和10的对称的倍压电路的元件的标注尺寸

R3                30000Ω

D4，D5            BY505

C7，C8            22nF，1200V

FS                2000V