用于点亮放电灯的点亮电路和用于点亮放电灯的方法

技术领域

本发明涉及一种用于通过向放电灯施加电点亮电压脉冲来点亮至 少一个放电灯的点亮电路，其中该点亮电路具有以下特征：至少一个源 电路，用于提供电初级电压脉冲，至少一个点亮回路，用于提供点亮电 压脉冲，以及至少一个电感耦合元件，用于将初级电压脉冲感应地耦合 到点亮回路中以产生点亮电压脉冲。除了点亮电路之外，还提供一种用 于采用该点亮电路来点亮放电灯的方法。

背景技术

上述类型的放电灯分别由EP0903967A1和EP0987928A1公开。在点 亮放电灯时，对放电灯的灯燃烧室(Lampenbrennkammer)中的气体离 子化。该气体例如由汞蒸汽组成。产生导电的等离子。该等离子导致放 电灯的第一次发光。为了保持发光并且迅速加热灯燃烧室的内电极，例 如用正弦形的交流电(负责点亮电流)来控制放电灯。该交流电流的频 率例如为200kHz。放电灯的负责点亮电流在室温下例如是150V至500V。 在经过处于秒数量级范围的负责点亮时间之后(低于一秒到几秒)，可 以施加实际的运行电流。该运行电流是正弦形的，或者具有类似矩形的 形状。为此所需要的运行电压例如是15V至225V。从这一阶段开始(在 1分钟至4分钟之后)放电灯进入期望的、高度加热的运行状态，其在 灯燃烧室中具有很高的内部压力，具有最高的发光效率以及宽带的发射 频谱。

为了点亮，用点亮电压脉冲控制放电灯的灯燃烧室的内电极。这产 生了电飞弧，该飞弧导致气体地电离。点亮电压脉冲是由多个电压脉冲 组成的包(电压脉冲曲线)。在电压脉冲曲线中的电压脉冲的脉冲序列 频率是1MHz至10MHz。为了能点亮放电灯，需要具有处于kV范围内的 峰压的点亮电压脉冲。由此点亮电压脉冲是在高频范围内的高压脉冲曲 线串(高压RF脉冲串)。利用该高压脉冲曲线串在点亮过程期间叠加负 责点亮电压。点亮电路构造为使得在最大负责点亮电压时产生叠加并由 此点亮放电灯。

公知的点亮电路基本上由源电路、振荡回路形式的点亮回路(点亮 振荡回路，次级振荡回路)以及点亮变压器形式的电感耦合元件组成。 放电灯与点亮振荡回路电并联。在源电路中产生初级电压脉冲。借助点 亮变压器将初级电压脉冲耦合到点亮振荡回路中。在点亮振荡回路中形 成点亮电压脉冲。由此导致放电灯的点亮。点亮电路的部件，尤其是电 感耦合元件的点亮变压器这样设计，使得点亮谐振电路的品质因数Q尽 可能高。品质因数Q的大小超过100。

用于点亮放电灯的点亮电路例如实现为所谓的电子镇流器(EVG)。 EVG从可用的电网电压中转换出电能，使得放电灯可以在其最佳的电压 范围、电流范围和频率范围内运行。放电灯例如是用作视频和投影灯 (VIP灯)的高压灯或超高压灯。

在灯温度比较低时(例如在室温，大约20℃)，点亮电压脉冲的峰 值电压从几百伏到几千伏就足以在灯的内电极之间产生电飞弧。灯的温 度越高，点亮高压灯或超高压灯所需要的峰值电压就越高。对于VIP灯， 通常出现950℃至1050℃的运行温度。在内电极之间产生电飞弧所需 要的点亮电压在这种温度时非常高，因为灯燃烧室中的气体由于占据主 导的气体压力而引起非常强的电离。这导致VIP灯必须要在能重新点亮 之前冷却。燃烧室的温度在目前的镇流器中必须降低到大约500℃。VIP 灯的烧嘴运行温度从大约1000℃开始冷却到500℃大约要持续30秒。 在30秒的冷却时间内，如果没有其它措施VIP灯的重新点亮(热再点 亮)就会失败。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种点亮电路，该点亮电路适用于 即使在灯的冷却时间内也能点亮放电灯。

为了解决该技术问题，提供一种通过向放电灯施加电点亮电压脉冲 来点亮至少一个放电灯的点亮电路，其中该点亮电路具有以下特征：至 少一个源电路，用于提供电初级电压脉冲，至少一个点亮回路，用于提 供点亮电压脉冲，以及至少一个电感耦合元件，用于将初级电压脉冲感 应地耦合到点亮回路中以产生点亮电压脉冲。该点亮电路的特征在于， 电感耦合元件所具有的电压转换的变压比从小于等于1/25而大于等于 1/400的范围中选择。优选地，该变压比从小于等于1/40而大于等于 1/200的范围中选择，尤其是从小于等于1/40而大于等于1/70的范围 中选择。

为了解决该技术问题，提供一种用于采用根据上述点亮电路通过施 加点亮电压脉冲来点亮放电灯的方法，具有以下方法步骤：a)形成具 有并联的放电灯的点亮振荡回路，b)在点亮振荡回路中产生点亮电压 脉冲。

放电灯或放电灯的内电极与其它部件一起连接到点亮振荡回路。点 亮回路具有所有需要的反应部件。通过高的变压比和谐振的电压过冲， 该电压过冲在点亮回路或在耦合元件中出现，在点亮回路中产生具有很 高峰值电压的高频点亮脉冲。优选地，产生峰值电压大于等于10kV而 小于等于50kV的点亮电压脉冲，尤其是峰值电压大于等于15kV而小于 等于25kV的点亮电压脉冲。

产生具有在MHz范围的脉冲序列频率的高频电压脉冲。在优选的实 施方式中，产生脉冲序列频率大于等于0.5MHz而小于等于30MHz的点 亮电压脉冲，尤其是脉冲序列频率大于等于0.9MHz而小于等于10MHz 的点亮电压脉冲。用1.5MHz的脉冲序列频率会达到特别好的效果。

利用该脉冲序列频率和高的电压可以将点亮电压脉冲的点亮脉冲 持续时间保持得较短。点亮脉冲持续时间小于50μs。在特殊的实施方 式中，产生具有在大于等于5μs而小于等于30μs的范围内的点亮脉冲 持续时间的点亮电压脉冲。尤其是点亮脉冲持续时间可以小于20μs。 这种相对较短的点亮电压脉冲足以在放电灯的温度较高时基于高的变 压比而点亮放电灯。

通过经常的重复点亮可以提高点亮概率。因此根据另一实施方式， 利用处于大于等于50Hz而小于等于10kHz范围内的重复频率(重复率)， 尤其是处于大于等于100Hz而小于等于1kHz范围内的重复频率来产生 点亮电压脉冲。利用该重复频率将点亮电压脉冲耦合到点亮回路中。利 用比较高的重复频率，例如1kHz，提高在特定的时间段内成功点亮的概 率。

电感耦合元件具有至少一个点亮变压器。点亮变压器包括具有至少 一个初级绕组的初级电感和具有至少一个次级绕组的次级电感。点亮变 压器的次级电感是点亮回路的组成部件。点亮回路可以实施为点亮振荡 回路。借助点亮变压器将源电路中形成的初级电压脉冲耦合到点亮振荡 回路中。优选地，为此点亮变压器是具有铁磁芯(例如铁磁或铁粉芯) 的HF-HV变压器。该HF-HV变压器这样设计，使得该变压器单独负责高 的电压转换。从而HF-HV变压器例如是具有25kV输出电压的变压器。 利用这样构造的点亮变压器，可以接受点亮振荡回路明显恶化的品质因 数。点亮振荡回路具有低于100的品质因素Q。

电感耦合元件可以单独具有相应设计的点亮变压器。在特殊的实施 方式中，电感耦合元件具有至少一个耦合变压器。点亮变压器和耦合变 压器彼此电连接，使得它们一起形成电感耦合元件。为此，按照特殊的 实施方式，点亮变压器和耦合变压器串联连接。耦合变压器的初级电感 可以是源电路的组成部件。耦合电容器的次级电感和点亮变压器的初级 电感电连接。点亮变压器的次级电感又是点亮谐振回路的组成部件。

耦合变压器用于匹配电压。这导致电感耦合元件的高变压比由点亮 变压器和耦合变压器一起提供。该变压比不是单单来自点亮变压器。这 使得点亮变压器的贡献减小。这导致点亮变压器的次级电感以及次级绕 组可以保持得较小。由此带来下面的特殊优点：次级绕组的欧姆电阻由 于绕组数量很少以及由此变短的导线长度而减小。该欧姆电阻也被放电 灯的运行电流流过，并因此避免了持续损耗功率。此外耦合变压器导致 点亮振荡回路和源电路的进一步去耦。由此使得点亮振荡回路中形成点 亮电压脉冲所需要的谐振电压过冲变得容易产生。

在点亮电路的其它部件的有利设计中，利用所展示的点亮变压器和 耦合变压器的组合，可以达到具有超过30kV的峰值电压的点亮电压脉 冲。换句话说，这是从正最大值到负最大值具有60kVss(即60kVpp) 的电压(假定在该情况下电压大致成正弦形)。

在特殊实施方式中，电感耦合元件具有至少一个耦合振荡回路。利 用耦合振荡回路可以去掉耦合变压器。但优选地，设置耦合变压器，而 且耦合振荡回路将点亮变压器和耦合变压器彼此电连接。耦合振荡回路 也称为空腔谐振回路(Tankresonanzkreis)。该耦合振荡回路加入耦合 变压器和点亮变压器之间，使得耦合振荡回路负责点亮变压器的次级绕 组的谐振。在耦合振荡回路中发生谐振的电压过冲，该电压过冲通过源 电路的初级电压脉冲触发。相反，点亮回路不是设计为点亮振荡回路。 在此不发生谐振的电压过冲。通过点亮变压器只在放电灯的内电极上产 生点亮电压脉冲。在该实施方式中，点亮变压器也不是单独提供整个电 感耦合元件的变压比。变压比的大小极其强烈地取决于空腔谐振回路的 设计，该空腔谐振回路通过合适的电容或电感接头本身来引起变压，或 者附加地通过前置耦合变压器借助于该耦合变压器来引起变压。例如， 空腔谐振回路发展出2kV至10kV的电压。由此点亮变压器可以适度地 变压。根据源电路类型可以弃用耦合变压器。

源电路具有合适的高频开关元件。该高频开关元件具有一个或多个 高频开关晶体管。高频开关晶体管是(功率)MOS晶体管，尤其是 CoolMOS晶体管或powerMESHTM晶体管或FDmeshTM晶体管或碳化硅FET 晶体管。

源电路在脉冲持续时间内提供很高的功率。源电路这样设计，即平 均初级功率在300W至2kW之间。这导致用于开关的高频开关晶体管传 导峰值电流在10A至100A之间的电流脉冲。为此效率要足够的高。高 频开关晶体管的价格强烈地取决于其载流能力。源电路的效率越高，高 频开关晶体管的载流能力可以选择得越低。

在特殊的实施方式中，源电路为了提供初级电压脉冲而具有能够开 关卸载的高频开关元件。这通常意味着，在开关元件接通的瞬时所施加 的电压以及传导的电流等于或接近于0。通过这种方式可以避免通常会 在开关过程中出现的损耗功率尖峰。这使得源电路具有特别高的效率。 开关卸载的另一个重要优点在于，避免在开关频率附近以及远超过开关 频率的频谱中出现强烈的电磁干扰成分(问题)。

优选地，源电路具有从E类、D类或DE类中选择的一种拓扑结构。 E类和DE类的特征在于特别良好的开关卸载。由于大的开关卸载，通常 需要作为供电缓冲器而用于源电路的电解电容器可以保持得很小。此 外，对于该开关级只需要一个高频开关晶体管，该高频开关晶体管由于 增大的效率只需要具有有限的载流能力。由此使得点亮电路的价格较 低。另一个优点在于，该开关级的输出电压无需其它调谐就能近似线性 地随着向该开关级供电的直流电压而变化。这使得可以通过源电路的前 置供电装置来调节高频电压。

存在两种类型的E类：在晶体管的漏极端或集电极端可以连接一个 并联电路或一个串联电路。第二种解决方案的特征在于，可以用非常小 的供电电压来驱动。由此可以采用具有比较小的截止能力的高电流晶体 管。

非常好的开关卸载也能通过DE类的高频开关级来达到。该类的基 础是由两个开关晶体管组成的半桥。所采用的开关晶体管需要明显低于 在E类中采用的开关晶体管的耐压强度。

该点亮电路尤其应用于高压放电灯和超高压放电灯的EVG中，这种 高压放电灯和超高压放电灯用在视频和投影技术中。对于高压放电灯来 说，在灯燃烧室中出现2巴至20巴的压力。在超高压放电灯中压力在 100巴到200巴的范围内变化。在此的目标是达到尽可能宽的发射频谱。 VIP灯的功率位于100W至300W之间，例如120W。还可以考虑更高和更 低的功率。利用该点亮电路还可以在温度超过500℃直至达到1000℃ 的热运行状态中点亮这种放电灯。

总之本发明给出了以下主要优点：

-利用点亮电路，即使在超过500℃的高温时也能重新点亮放电灯。 在中断放电灯的发光之后不需要为了新的点亮而进行冷却。不会出现点 亮间歇。

-利用本发明可以弃用点亮辅助电极，该点亮辅助电极通常用于保 持目前常见的点亮间歇。

附图说明

下面借助多个实施例和附图详细解释本发明。

图1、2、3A、3B示出点亮电路的不同实施例的电路图。

图4示出DE类的高频开关级的电路图。

具体实施方式

用于通过施加电点亮电压脉冲来点亮放电灯2的点亮电路1实现在 高压放电灯2的EVG中。高压放电灯2是具有120W功率的VIP放电灯。 在其替换实施方式中，VIP放电灯具有100W或300W的功率。

点亮电路1的主要部件是用于提供初级电压脉冲的源电路11、用于 提供点亮电压脉冲的点亮回路12，以及用于将初级电压脉冲感应地耦合 到点亮回路12中的电感耦合元件13。通过将初级电压脉冲耦合到点亮 回路12中产生了点亮电压脉冲。

高压放电灯2设置在灯燃烧室21中的内电极22是点亮回路12的 部件。在点亮回路12中产生的点亮电压脉冲导致内电极22之间的电飞 弧。灯燃烧室21内部的气体电离化。由此形成用于负责点亮的发热的 等离子。

为了保持发热的等离子，通过电压供电单元122用类似正弦形的负 责点亮电压来控制高压放电灯2。集成在EVG中的电压供电单元122提 供了位于100kHz范围的150V到500V之间的类似正弦形的负责点亮电 压。

通过电压供电单元111向源电路11提供合适的直流电压。源电路 11具有高频开关元件112。高频开关元件112是开关卸载的。这意味着， 在接通的瞬时所施加的电压和传导的电流是0或接近于0。高频开关元 件112的组成部件是至少一个高频开关晶体管113和至少一个高频驱动 电路114。高频开关晶体管113由高频驱动电路114控制。高频开关晶 体管113是CoolMOS晶体管。在其替换实施方式中，采用powerMESHTM 晶体管或FDmeshTM晶体管或碳化硅FET晶体管。高频驱动电路114为高 频开关晶体管113提供高频开关信号，该高频开关信号与点亮电压脉冲 要达到的脉冲序列频率匹配。这意味着在源电路11中产生具有与点亮 回路12中的点亮电压脉冲相同或非常近似的脉冲序列频率的初级电压 脉冲。

借助点亮电路1产生用于点亮放电灯2的高频点亮电压脉冲。点亮 电压脉冲的脉冲序列频率在第一实施方式中大约是1.5MHz。根据另一实 施方式，脉冲序列频率是4MHz。点亮电压脉冲的峰值电压是22kV。这 相当于44kVss(44kVpp)。根据另一实施方式，点亮电压脉冲的峰值电 压是30kV(60kVss)。点亮脉冲持续时间是20μs。根据另一实施方式， 点亮脉冲持续时间是5μs。

电感耦合元件13具有电压变换为大约1/60的变压比。通过该高的 变压比，可以达到具有高的峰值电压的高频电压源。基于该高的峰值电 压可以在超过500℃的高燃烧器表面温度时点亮VIP高压放电灯。为了 成功地重新点亮放电灯，不必等待冷却阶段。

为了达到高的变压比，下面给出3个示例：

示例1：

所属的电路图在图1中示出。电感耦合元件13只由点亮变压器131 组成。点亮变压器131单独提供所述高的变压比。点亮变压器131的初 级电感1311是源电路11的组成部件。点亮变压器131的次级电感1312 是点亮回路12的组成部件，该点亮回路12实施为点亮振荡回路121。 通过点亮变压器131的初级电感1311和次级电感1312将初级电压脉冲 耦合到点亮振荡回路121中。

点亮变压器131是具有铁磁芯和等于初级电感1311和次级电感 1312的绕组数的HF-HV变压器。点亮振荡回路121具有远低于100的品 质因素Q。

次级电感1312由两个具有相同绕线方向的几乎相同的子电感组成。 这些子电感与其它组成部件一起构成几乎对称的点亮振荡回路121。这 使得可以在不通过高频电压脉冲影响点亮的情况下引入运行电压和负 责点亮电压。

源电路11的高频开关元件112具有E类(串联拓扑结构)的高频 开关级。

示例2：

相应的电路图在图2中示出。与示例1不同，这里的电感耦合元件 13除了点亮变压器131之外还具有耦合变压器132.高的变压比通过点 亮变压器131与耦合变压器132的耦合来实现。为此耦合电容器132的 初级电感1321是源电路11的组成部件。初级电压脉冲间接通过耦合变 压器132的次级电感1322以及点亮变压器131的初级电感1311耦合到 点亮振荡回路121中。通过耦合变压器132的相应结构实现了一部分变 压比。由此可以减小点亮变压器131的分变压比。由此保持整个电感耦 合元件13的高变压比。

源电路11的高频开关元件112同样具有E类的高频开关级，但是 具有并联拓扑结构。

示例3：

所属的电路图用图3A和3B示出。点亮回路12不是实施为点亮振 荡回路。这意味着不考虑寄生元件，点亮回路12不能被激励到在点亮 电压脉冲的频率范围中振荡。

为了在点亮回路12中感应地产生点亮电压脉冲，电感耦合元件13 具有空腔谐振回路(耦合振荡回路)133。空腔谐振回路133具有电容 分压器(图3A)。替换的，空腔谐振回路133实施为具有有抽头的线圈 的空腔谐振回路(有抽头的空腔谐振回路，图3B)。该空腔谐振回路133 在根据上述示例的耦合元件13的扩展中连接在耦合变压器132和点亮 变压器131之间。点亮变压器的初级电感1311是空腔谐振回路133的 组成部件。在此一部分变压比也由空腔谐振回路负责。从而点亮变压器 131可以具有更小的变压比。

除了上述示例之外，还存在多个实施方式，其通过源电路11、点亮 回路12或耦合元件13及其组成部件的相应结构给出。从而根据未在此 示出的实施方式，点亮变压器131的次级电感1312是一体的。同样也 可以考虑超过两个组成部件。在另一个实施方式中，对于源电路11，可 以代替具有E类开关级的高频开关元件112而采用具有DE类开关级的 高频开关元件112。具有串联回路拓扑结构的DE开关级在图4中示出。 这一类的高频开关级具有两个高频开关晶体管113。每个高频开关晶体 管可以用自己的高频驱动电路114控制。