一種70 W恒功率金鹵燈電子鎮(zhèn)流器

吉 宇，王念春，黃星星，盛曉東，余振中

（東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，南京210096）

引言

金屬鹵化物燈(MHL)作為綠色照明光源中高壓氣體放電燈（HID）的典型代表，具備高光效、顯色性好、功率高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)而被稱為最理想的光源，廣泛應(yīng)用在各種場合，如汽車前燈、放映機(jī)燈等。金鹵燈作為一種氣體放電燈，具有負(fù)阻特性，所以必須使用鎮(zhèn)流器來保證其穩(wěn)定工作。傳統(tǒng)的電感式鎮(zhèn)流器結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟且成本很低，但由于其尺寸較大、功率因數(shù)低、受輸入電壓變化影響較大等問題已逐漸被更為先進(jìn)的電子式鎮(zhèn)流器所取代。本文介紹了一種基于單片機(jī)控制的數(shù)字式三級式恒功率金鹵燈電子鎮(zhèn)流器，詳細(xì)分析了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的各級電路構(gòu)成，設(shè)計了單片機(jī)控制電路及軟件流程。并依此研制了70 W金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的樣品，測試結(jié)果顯示這種鎮(zhèn)流器性能良好，達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)要求。

1 鎮(zhèn)流器基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

現(xiàn)在相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)提出了多種電子鎮(zhèn)流器的控制思想，其中的一個共同點(diǎn)是尋求在穩(wěn)定工作的同時避免聲諧振現(xiàn)象的發(fā)生。為了避免聲諧振，必須調(diào)節(jié)燈的工作頻率使其遠(yuǎn)離聲諧振頻帶。這可以有多種方法，如使燈工作在高頻 （約數(shù)百kHz）信號加低頻調(diào)制狀態(tài)；也可以使金鹵燈工作在超高頻（數(shù)MHz）來避免聲諧振，但是這樣會導(dǎo)致開關(guān)損耗的增加。實(shí)踐應(yīng)用表明，低頻方波驅(qū)動金鹵燈的方案是消除聲諧振現(xiàn)象最有效的解決方法。

低頻方波驅(qū)動MHL方案應(yīng)用最為廣泛的是三級式電子鎮(zhèn)流器，其最適宜產(chǎn)品化。三級式電子鎮(zhèn)流器的基本構(gòu)成如圖1所示，第一級功率因數(shù)校正電路通常采用Boost APFC電路，在減小電流諧波提高功率因數(shù)的同時，為之后的功率控制級電路提供恒定直流母線電壓；第二級功率控制級采用Buck降壓電路來控制燈的功率；第三級即為全橋逆變電路，其輸出低頻方波來驅(qū)動金鹵燈。在本設(shè)計中，當(dāng)金鹵燈進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，全橋輸出153 Hz的低頻方波，這樣可以很好地避免聲諧振現(xiàn)象[1,2]。

圖1 三級式電子鎮(zhèn)流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 各級電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 EMI濾波器與整流環(huán)節(jié)

產(chǎn)品化的電子鎮(zhèn)流器輸入通常都為標(biāo)準(zhǔn)交流輸入，而為實(shí)現(xiàn)低頻方波驅(qū)動MHL，同時實(shí)現(xiàn)恒功率控制，希望輸入為恒定電壓，所以需要對輸入進(jìn)行變流，一般采用不控的全橋整流。電子鎮(zhèn)流器與外部電網(wǎng)之間可能存在相互干擾，如來自電網(wǎng)的電壓畸變及其他電磁干擾可能會使鎮(zhèn)流器性能受到影響，同時鎮(zhèn)流器自身產(chǎn)生的電磁干擾也可能進(jìn)入電網(wǎng)，污染電網(wǎng)電磁環(huán)境，所以需要用EMI濾波器來消除兩者間的相互干擾。由于在兩系統(tǒng)接口處各種干擾最為嚴(yán)重，故EMI濾波器應(yīng)放在鎮(zhèn)流器輸入接口處。一般采用交流線路EMI濾波器，可以有效地抑制差模與共模噪聲。

2.2 功率因數(shù)校正電路

鎮(zhèn)流器的PFC級功率電路用來修正輸入電壓與電流波形相位，以提高鎮(zhèn)流器的功率因數(shù)，使其達(dá)到相應(yīng)的產(chǎn)品要求標(biāo)準(zhǔn)。PFC電路設(shè)計為寬電壓輸入，同時采用Boost升壓輸出電路的形式，輸出為恒定電壓，本文中設(shè)計為400 V，以利于后面產(chǎn)生金鹵燈點(diǎn)火所需要的數(shù)千伏高壓。PFC電路工作模式可分為連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）、斷續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）及臨界斷續(xù)導(dǎo)電模式（CRM）。其中在臨界斷續(xù)導(dǎo)電模式下頻率與脈寬均可調(diào)，電路結(jié)構(gòu)簡單，控制相對簡單，在450 W以內(nèi)的電子鎮(zhèn)流器中應(yīng)用廣泛。所以在本設(shè)計中采用工作在CRM模式下的Boost APFC電路。

Boost APFC電路控制芯片選用ST公司的L6561，可工作在CRM模式下，為峰值電流控制方式，適合應(yīng)用在低功率場合。

2.3 Buck功率控制電路

Buck功率控制電路是實(shí)現(xiàn)金鹵燈的穩(wěn)態(tài)控制，主要是指恒功率控制。所謂的恒功率控制就是保證金鹵燈在正常工作時，輸出功率保持不變。輸出功率決定了金鹵燈的流明輸出和相關(guān)色溫指數(shù)，恒功率下金鹵燈的光輸出及相關(guān)色溫指數(shù)均會十分穩(wěn)定，不僅可以保證照明質(zhì)量，同時也可以延長金鹵燈的使用壽命。

Buck電路的輸出功率是通過Buck電路中開關(guān)管的開關(guān)占空比來控制的。而開關(guān)管占空比是通過反饋控制信號與參考信號比較來獲得的。參考信號指用來控制輸出功率的一個恒定電平，而反饋控制信號可通過Buck開關(guān)管上電流反饋信號與Buck輸出電壓反饋信號相加來獲得，如圖2。通過適當(dāng)?shù)剡x取兩反饋信號的增益，就可以實(shí)現(xiàn)MHL的恒功率控制。這種控制策略是比較理想的，可以在很大程度上消除金鹵燈自身或工況原因造成的等效阻抗變化的影響[3]。

圖2 恒功率控制電路示意圖

2.4 全橋及點(diǎn)火電路

全橋控制采用兩個半橋驅(qū)動器IR2103來分別驅(qū)動全橋的一對上、下橋臂，一個半橋驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)如圖3。IR2103為高電壓高速功率MOS管及IGBT驅(qū)動器，擁有獨(dú)立的高、低參考電平輸出通道，驅(qū)動設(shè)計邏輯十分簡單，如圖4，易于軟件程序流程設(shè)計，適用于低成本的電子鎮(zhèn)流器。

圖3 IR2103控制的半橋驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)

金鹵燈是一種氣體放電燈，在啟動時需要一個高壓脈沖觸發(fā)，使得燈管內(nèi)的氣體擊穿放電，該電壓應(yīng)當(dāng)不低于燈管的最低啟動電壓，同時，該電壓也不能太高，點(diǎn)火電壓太高一方面會增加對陰極的濺射，另一方面也會對電路其他器件的可靠性造成影響。金屬鹵化物燈電子鎮(zhèn)流器的啟動電路必須能夠提供很高的啟動電壓擊穿弧隙產(chǎn)生電弧，并且應(yīng)該具有在起弧后自動關(guān)閉的功能。一種脈沖點(diǎn)火電路如圖5所示。

圖4 IR2103輸出驅(qū)動邏輯

圖5 點(diǎn)火電路結(jié)構(gòu)

當(dāng)燈啟動前，全橋的輸出電壓比雙向觸發(fā)管Dig的崩潰電壓要高，Dig擊穿構(gòu)成通路，形成上升幅度較大的脈沖電流，因互感效應(yīng)使變壓器副邊產(chǎn)生高壓以點(diǎn)亮金鹵燈，同時由于電容Cig充電電壓上升，使通過Dig的電流逐漸減小，直到關(guān)斷，此時電容兩端電壓因充電反向，為全橋電路電壓反向時點(diǎn)火啟動提供點(diǎn)火高壓。金鹵燈啟動后阻值很小，變壓器副邊形成通路，副邊電壓較小，使得原邊電壓低于Dig的崩潰電壓因此Dig處于關(guān)斷狀態(tài)，不會再產(chǎn)生高壓，電路能夠穩(wěn)定工作。其中L1，L2起到抗高壓的作用，都取 0.1 mH；Cig取 0.22 μF/630 V；Dig取崩潰電壓為300 V的雙向觸發(fā)管。

3 單片機(jī)控制電路及程序流程設(shè)計

單片機(jī)控制與保護(hù)電路的功能主要是完成金鹵燈的啟動控制及實(shí)現(xiàn)金鹵燈穩(wěn)定工作時的監(jiān)測和保護(hù)，確保整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行。金鹵燈啟動過程比較復(fù)雜，為了簡化控制，采用分段匹配金鹵燈負(fù)載特性的線性控制策略，將整個啟動過程分為高壓觸發(fā)、過渡階段、恒功率運(yùn)行三個狀態(tài)。

軟件程序流程基于金鹵燈自身的特性，金鹵燈在點(diǎn)火之前處于高阻狀態(tài)，需要一個高壓觸發(fā)，點(diǎn)火成功后，金鹵燈兩端電壓瞬間下降到較低水平并維持一段時間，接著電壓升高直至其穩(wěn)態(tài)工作電壓。當(dāng)點(diǎn)火成功后，點(diǎn)火電路中Dig處于關(guān)斷狀態(tài)，變壓器原邊這路不再工作。Buck輸出經(jīng)全橋逆變后直接加在變壓器副邊那路，認(rèn)為Buck輸出電壓就和金鹵燈兩端電壓幾乎相等。故可以通過檢測Buck輸出電壓的變化來精確判斷點(diǎn)火是否成功，具體控制策略如下：高壓觸發(fā)階段Buck電路工作于Burst-mode工作方式，也即使Buck電路保持一個穩(wěn)定的空載輸出高電壓，這個電壓一般由前面的PFC電路決定，本設(shè)計中為400 V。由于開機(jī)后這個電壓的建立需要一段時間，所以需要單片機(jī)進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測到Buck電路輸出電壓低于一定量值時，可認(rèn)為電路故障，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；當(dāng)檢測到其大于350 V時，即可由單片機(jī)控制全橋芯片IR2103產(chǎn)生驅(qū)動方波，驅(qū)動頻率從120 Hz遞增，步長2 Hz，上限150 Hz，全橋輸出對金鹵燈進(jìn)行點(diǎn)火。金鹵燈點(diǎn)火成功后會進(jìn)入一個約100 s左右的過渡階段，過渡階段可分為兩個階段，第一個階段為低壓維持階段，燈兩端電壓維持在一個較低的水平，第二個階段燈兩端電壓開始升高直至其穩(wěn)態(tài)工作電壓。所以在開始產(chǎn)生全橋驅(qū)動脈沖后，同時檢測Buck輸出電壓，若電壓小于某一設(shè)定值，則可認(rèn)為點(diǎn)火成功，降低全橋工作頻率以減少其輸出方波中脈沖尖峰的干擾。當(dāng)Buck輸出電壓開始上升直至設(shè)定值時，則再次改變?nèi)珮蚬ぷ黝l率為燈穩(wěn)定工作時的頻率，使之輸出為153 Hz的恒頻方波，電路進(jìn)入恒功率控制階段 ，并不斷對電路進(jìn)行監(jiān)控保護(hù)[4]。

鎮(zhèn)流器工作中若出現(xiàn)沒有接金鹵燈或者燈壞掉的情況，會出現(xiàn)不停的點(diǎn)火現(xiàn)象；另外當(dāng)金鹵燈過熱時，其所需啟動電壓會升至萬伏以上，此時鎮(zhèn)流器輸出的高壓脈沖不足以點(diǎn)亮金鹵燈，也會出現(xiàn)不斷點(diǎn)火的現(xiàn)象。長時間過高的電壓脈沖對電子鎮(zhèn)流器和燈都有危險。為了保護(hù)電路的安全，必須避免這種情況的發(fā)生。若點(diǎn)火不成功的話，可判斷電子鎮(zhèn)流器開路、燈出現(xiàn)故障或者燈管過熱。若是燈管過熱，延遲一段時間后，等到燈管冷卻下來再進(jìn)行點(diǎn)火，如此反復(fù)15次，若點(diǎn)火仍不成功，則可判斷電子鎮(zhèn)流器處于開路狀態(tài)或燈出現(xiàn)故障，則單片機(jī)發(fā)出控制信號使電子鎮(zhèn)流器停止工作以等待維修。此外，工作時還要通過溫度傳感器檢測整個系統(tǒng)，若系統(tǒng)溫度過高，超過某一設(shè)定值，則單片機(jī)控制Buck、全橋停止工作，只有當(dāng)系統(tǒng)溫度再次低于一定溫度時電路才重新工作。

4 實(shí)驗結(jié)果及分析

根據(jù)以上的分析設(shè)計，制作了70 W三級式恒功率金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的原型，對其進(jìn)行測試以驗證其性能。該電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計要求如下：輸入范圍：170～250 VAC/50 Hz，工作電壓變化之下，輸出電壓變化小于±2%；功率因數(shù)PF＞0.95；電流總諧波（THD）值＜15%；輸出功率：70～76 W； Buck電路開關(guān)頻率：50 kHz左右；點(diǎn)火電壓脈沖＞3 kV。

圖6 穩(wěn)態(tài)后MHL兩端電壓采樣波形

在金鹵燈成功點(diǎn)亮進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，測試金鹵燈兩端電壓為約91 V，如圖6(經(jīng)分壓器采樣得到)，金鹵燈在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后其等效電阻約115 Ω，則電路輸出功率為91*91/115=72 W，符合設(shè)計要求；使用調(diào)壓器調(diào)節(jié)輸入使其在170～250 VAC間變化，分別測試穩(wěn)態(tài)時金鹵燈兩端電壓，測試結(jié)果顯示其始終維持在91 V，電壓變化率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2%；從圖7的波形中可以看出Buck電路開關(guān)頻率為1/20 μs=50 kHz,符合設(shè)計要求。

圖7 穩(wěn)態(tài)Buck電路MOS管驅(qū)動信號

5 結(jié)語

本文介紹了一種基于單片機(jī)控制的三級式恒功率金鹵燈電子鎮(zhèn)流器，分析了其硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計及軟件程序流程，并依此研制了70 W電子鎮(zhèn)流器樣品。測試結(jié)果顯示這種鎮(zhèn)流器能夠安全有效地驅(qū)動金鹵燈，其成本較低，可靠性高，保護(hù)功能完善，調(diào)整靈活，有著較好的市場前景。

[1]張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[2]宋成杰，周立新，鐘嫄.低頻小功率金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的研制[J].照明工程學(xué)報，2002，（9）:29-30.

[3]陳傳虞.電子節(jié)能燈與電子鎮(zhèn)流器的原理和制造 [M].北京：人民郵電出版社，2004：72-87，134-311.

[4]吳其昆，馬皓，祁豐.基于ARM微控制器的金鹵燈用電子鎮(zhèn)流器[J].電力電子技術(shù)，2006，（4）:6-7.