應(yīng)用于投影儀的高頻數(shù)字化金鹵燈電子鎮(zhèn)流器

王懿杰 張相軍 王 衛(wèi) 徐殿國(guó)

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院 哈爾濱 150001）

1 引言

自投影儀問世以來，其在教學(xué)、商務(wù)演示以及會(huì)議等場(chǎng)所得到了廣泛的應(yīng)用，而隨著其成本的降低，功率密度的提高，正在逐漸走入家庭，成為家庭用品。

投影儀用光源一般有三種：即超能燈（UHP）、高壓汞燈（UHE）以及金屬鹵化物燈。超能燈價(jià)格昂貴，一般應(yīng)用于高端的投影儀。高壓汞燈（UHE）廣泛應(yīng)用于投影儀中，但其為點(diǎn)光源，一旦損壞，將不能使用，且其價(jià)格仍然較高，更換的成本也較大。金屬鹵化物燈價(jià)格低廉，更換成本較低，且相對(duì)于點(diǎn)光源來說，不易損壞，所以成為低成本投影儀的首選[1-2]。

金屬鹵化物燈為高壓氣體放電燈的一種，具有負(fù)阻特性，所以必須與鎮(zhèn)流器搭配使用。而傳統(tǒng)的電感鎮(zhèn)流器功率因數(shù)較低、體積大且極其笨重，所以輕小而高性能的電子鎮(zhèn)流器已經(jīng)成為發(fā)展的趨勢(shì)[3-4]。為簡(jiǎn)化電子鎮(zhèn)流器的電路結(jié)構(gòu)，提高其功率密度，本文采用飛斯卡爾公司的 8位單片機(jī)M908Q4ACE來實(shí)現(xiàn)對(duì)電子鎮(zhèn)流器的數(shù)字控制。

半橋結(jié)構(gòu)在鎮(zhèn)流器中應(yīng)用非常廣泛，LCsCp諧振啟動(dòng)由于不需額外附加啟動(dòng)電路也得到了廣泛的應(yīng)用[5-7]。由于LCsCp電路中有三個(gè)無源元件，在實(shí)際應(yīng)用中均有一定偏差，造成了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，所以如何在參數(shù)的可變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可靠啟動(dòng)，成為一個(gè)難題。本文將研究 LCsCp可靠的數(shù)字啟動(dòng)方式，使其能夠最大限度的適應(yīng)參數(shù)的離散變化。同時(shí)提出基于數(shù)字控制的過渡以及功率閉環(huán)控制方法，此處為避免聲諧振現(xiàn)象，采用了高頻調(diào)制的驅(qū)動(dòng)方式。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖1所示為系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖。本文所研究鎮(zhèn)流器共分五部分：EMI濾波器、全橋整流電路、功率因數(shù)校正電路、半橋電路以及控制電路。如圖1所示，單相交流電經(jīng)EMI濾波器后再經(jīng)全橋整流，然后經(jīng)過功率因數(shù)校正電路輸入到半橋，確保母線電壓為 400V，單片機(jī)檢測(cè)燈的狀態(tài)然后發(fā)出相應(yīng)的PWM 信號(hào)來控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。此處功率因數(shù)校正部分選用了基于臨界模式控制的安森美公司的MC33262芯片。

圖1 電子鎮(zhèn)流器整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Configuration of the electronic ballast

3 LCsCp系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)電路分析

從文獻(xiàn)[8,9]可知，氣體放電燈的動(dòng)態(tài)模型可用其增量阻抗表示為

式中，zL(s)表示燈的增量阻抗；vL(s)表示燈電壓的擾動(dòng)量；iL(s)表示燈電流的擾動(dòng)量。

在此模型中，z為一個(gè)負(fù)實(shí)數(shù)而 k為正實(shí)數(shù)，則知其高頻下增量阻抗如式（2）所示

由于R∞是一個(gè)正實(shí)數(shù)，所以氣體放電燈在超高頻下是趨于正阻性的。本文中選用的氣體放電燈為佛山照明生產(chǎn)的 150W 金鹵燈，經(jīng)測(cè)試在 150kHz以上工作頻率不再發(fā)生聲諧振現(xiàn)象?？紤]到燈參數(shù)的離散性，采用了高頻調(diào)制的驅(qū)動(dòng)方式來避免聲諧振，半橋LCsCp電路等效電路如圖2所示。

圖2 半橋LCsCp諧振逆變器等效電路Fig.2 Equivalent circuit of half-bridge LCsCp resonance inverter

由文章[10]可知，基于頻率控制的正弦信號(hào)x(t)可表示成一個(gè)復(fù)雜的矢量形式為

式中，ωs(t)表示變量的瞬時(shí)角頻率。

則可得到LCsCp的小信號(hào)模型如圖3所示。由圖3可求鎮(zhèn)流器的輸出阻抗，實(shí)際中如鎮(zhèn)流器的輸出阻抗與燈的增量阻抗之和為正，整個(gè)系統(tǒng)即為穩(wěn)定的。

圖3 LCsCp電路小信號(hào)模型圖Fig.3 Small signal model of LCsCp circuit

4 數(shù)字控制方法研究

4.1 啟動(dòng)控制策略

LCsCp串并聯(lián)負(fù)載諧振變換器即可提供穩(wěn)定的啟動(dòng)電壓也可在穩(wěn)態(tài)時(shí)提供足夠的燈電壓。在實(shí)際中 Cs?Cp，則在啟動(dòng)時(shí) Cp起主要作用而在穩(wěn)態(tài)時(shí)Cs起主要作用。下表給出了 LCsCp諧振變換器串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振的特征參數(shù)。

與胡漢民、汪精衛(wèi)相比，蔣介石是以軍事起家而進(jìn)入國(guó)民黨高層，在意識(shí)形態(tài)上傾向于保守和集權(quán)，尤其仰賴暴力機(jī)器的力量去達(dá)到政治目的。胡漢民、汪精衛(wèi)從晚清始就是激進(jìn)革命者，通過輿論宣傳和黨務(wù)工作獲得國(guó)民黨內(nèi)的領(lǐng)袖地位。胡漢民的主張或更接近孫中山遺教的真意，汪精衛(wèi)的建國(guó)主張則更具現(xiàn)代色彩。然而，在后孫中山時(shí)代，國(guó)民黨內(nèi)的黨統(tǒng)之爭(zhēng)，卻以背離孫中山遺教程度最大的蔣介石勝出而終結(jié)，亦是一種意識(shí)形態(tài)上的悖論，但此種悖論由中國(guó)共產(chǎn)黨終結(jié)，恰又重回意識(shí)形態(tài)競(jìng)爭(zhēng)的固有邏輯?！脖疚氖苣暇煼洞髮W(xué)2016年度“青藍(lán)工程”骨干教師科研基金資助〕

表 LCsCp電路特征參數(shù)Tab. Parameters of LCsCp inverter

串并聯(lián)負(fù)載諧振電路的電壓傳輸特性為

圖4所示為L(zhǎng)CsCp電路的傳輸特性曲線。傳統(tǒng)的LCsCp滑頻方式為設(shè)定起始頻率1點(diǎn)和終止頻率2點(diǎn)，然后滑頻，如果在 3點(diǎn)上燈亮，則由于燈阻抗迅速減小，系統(tǒng)進(jìn)入圖4左側(cè)的諧振腔，然后設(shè)定初始頻率4點(diǎn)，使系統(tǒng)具有相應(yīng)的初始功率以維持燈內(nèi)氣體電離。

圖4 負(fù)載諧振電路電壓幅頻特性Fig.4 LCsCp circuit voltage gain

此方法的不足之處為 LCsCp中存在三個(gè)無源元件，電感值的偏差為10%左右，而電容值的偏差一般為20%左右，雖然可以買到更高精度的電容，但其價(jià)格昂貴，以 5%精度的電容為例，其價(jià)格是精度為20%的電容的數(shù)十倍。則在啟動(dòng)時(shí)，很可能終止頻率太高而導(dǎo)致無法使燈啟動(dòng)，也有可能由于起始頻率太低而導(dǎo)致上電瞬間沖擊電流過大，使鎮(zhèn)流器損壞，當(dāng)起始頻率在諧振峰值時(shí)最為危險(xiǎn)。

本文中，LCsCp諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的離散性對(duì)電壓增益Hv的影響程度通過電壓增益Hv相對(duì)于各個(gè)參數(shù)的靈敏度來分析。單位靈敏度定義為

如靈敏度為負(fù)值，表明隨著參數(shù)的增加，電壓增益是下降的，反之則電壓增益為上升的。

此處定義 k=ω/ωp，則電壓增益 Hv關(guān)于并聯(lián)電容 Cp、串連電容 Cs以及串聯(lián)電感 L的靈敏度如下式所示

為降低參數(shù)離散性影響，把截止頻率設(shè)置為 5點(diǎn)，即滑頻截止頻率滑過諧振峰值點(diǎn)，然后對(duì)燈電壓進(jìn)行采樣，對(duì)啟動(dòng)的最大電壓進(jìn)行限制，則在實(shí)際應(yīng)用中可以把初始頻率升高，截止頻率降低到峰值以下，這樣就能適應(yīng)無源元件參數(shù)的離散性，同時(shí)對(duì)于老燈也有更強(qiáng)的適應(yīng)性。程序流程如圖 5a所示。圖5b為啟動(dòng)時(shí)滑頻示意圖，f2為器件參數(shù)無偏差時(shí)的截止頻率。左右兩側(cè)諧振腔表示無源器件的參數(shù)變化范圍，則由于電壓的限制，無論諧振頻率如何變化，系統(tǒng)均可得到足夠高的啟動(dòng)電壓，唯一不同的是滑頻范圍在f3-f0～f1-f0間變化。

圖5 系統(tǒng)啟動(dòng)流程圖與滑頻示意圖Fig.5 Flow chart and sweeping diagram in ignition stage

4.2 過渡以及功率閉環(huán)控制

在過渡期間，如調(diào)節(jié)過快，會(huì)導(dǎo)致功率過沖。同時(shí)系統(tǒng)di/dt與du/dt較大，也可導(dǎo)致鎮(zhèn)流器損壞，所以此處采用開環(huán)控制的方法，即恒頻控制。在恒頻控制中，隨著燈阻抗的增加，燈電壓將逐漸增加直到燈功率達(dá)到額定功率進(jìn)入功率閉環(huán)。

LCsCp穩(wěn)態(tài)母線電流波形圖如圖6a所示，則將母線電流作傅里葉分解，可得

式中

可得輸入平均功率為

經(jīng)化簡(jiǎn)可得

穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，燈功率Plamp與逆變器輸入平均功率Pin-av存在如下關(guān)系

式中，η 為逆變級(jí)效率。

如果母線電壓恒定，燈功率和母線平均電流是成正比的，可以通過采樣母線平均電流來控制功率，此處通過采樣 Rs兩端的電壓來對(duì)母線電流進(jìn)行采樣，經(jīng)低通濾波器可得逆變器的平均母線電流，然后通過控制半橋電路的工作頻率來實(shí)現(xiàn)對(duì)燈功率的控制。此處為避免聲諧振，采用了高頻調(diào)制的控制策略，即以工作頻率為中心頻率，實(shí)際工作頻率在中心頻率左右來回波動(dòng)。這樣集中在單個(gè)頻率點(diǎn)上的高頻能量，被拓寬到一定帶寬的頻帶上，有效避免了聲諧振的發(fā)生。

圖6 燈功率閉環(huán)控制示意圖Fig.6 Schematic diagram of the closed-loop control for the lamp power

圖6b為功率閉環(huán)控制框圖而圖6c為功率閉環(huán)控制的子程序流程圖，此處對(duì)母線電流多次采樣取平均值以消除誤差。此處的故障保護(hù)，指的是在燈出現(xiàn)開路和短路的情況下能夠停止工作，保護(hù)鎮(zhèn)流器，特別是開路時(shí)，此時(shí) LCsCp諧振電路的品質(zhì)因數(shù)較高，輸出電壓電流均很大，如果長(zhǎng)時(shí)間工作在此狀態(tài)，必將使鎮(zhèn)流器損壞。由于系統(tǒng)采樣的母線電流實(shí)際上為有功電流，所以無論開路或短路發(fā)生，其值都會(huì)迅速降低，所以在實(shí)際應(yīng)用中判斷系統(tǒng)發(fā)生故障可通過判斷母線平均電流采樣值是否降到一個(gè)較低的數(shù)值。同時(shí)為區(qū)別開路和短路，實(shí)際中也對(duì)燈電壓進(jìn)行了采樣，如果母線電流較低同時(shí)燈電壓較高則為開路。判斷出系統(tǒng)出現(xiàn)故障，MCU將迅速封鎖PWM輸出來保護(hù)電路。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7所示系統(tǒng)電路圖，包括主電路與控制電路兩部分。其中控制電路由采樣電路與驅(qū)動(dòng)電路組成，其中CD4046用來實(shí)現(xiàn)壓控振蕩器的功能。單片機(jī)發(fā)出的PWM信號(hào)先轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)，通過壓控振蕩器轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，最后通過驅(qū)動(dòng)電路轉(zhuǎn)換為半橋電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖7 系統(tǒng)電路圖Fig.7 Circuit of the system

在此系統(tǒng)中，選擇系統(tǒng)工作頻率為 166kHz，Cs/Cp一般取值在100以上，本文中的比值為400，而Cp值一般較小，此處取為1.65nF，則可確定Cs的取值，由測(cè)試可知燈額定功率為150W，此時(shí)燈電壓為110V左右，燈電流為1.6A左右，則由式（4）可求出串聯(lián)電感的取值，最終參數(shù)取值為 Cs=680nF，Cp=1.65nF，L=90μH。則諧振頻率為 130kHz，此處選擇初始頻率與截止頻率分別為180kHz與110kHz，燈的啟動(dòng)電壓為1 500V，限幅電壓設(shè)為2 000V。

為驗(yàn)證啟動(dòng)策略的準(zhǔn)確性，只需比較新燈與老燈的啟動(dòng)波形即可。圖8a所示為鎮(zhèn)流器新燈熱燈滑頻測(cè)試圖，圖8b所示為鎮(zhèn)流器老燈熱燈滑頻測(cè)試圖，則知系統(tǒng)無論在新燈或老燈狀態(tài)下，都能得到相等的足夠高的啟動(dòng)電壓，印證了啟動(dòng)方法的高適應(yīng)性與正確性。同時(shí)實(shí)驗(yàn)中，共制作20臺(tái)樣機(jī)，所選參數(shù)為電感在10%內(nèi)變化，電容20%內(nèi)變化，經(jīng)測(cè)試，所有鎮(zhèn)流器均可可靠啟動(dòng)。圖8c為系統(tǒng)開路時(shí)燈電壓采樣波形而圖8d為系統(tǒng)短路時(shí)母線電流采樣波形，可知系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)，均可靠保護(hù)。圖8e為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出電壓電流波形，圖 8f為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的李薩如圖，可知系統(tǒng)在高頻工作下時(shí)是呈阻性狀態(tài)的。

圖8 實(shí)驗(yàn)測(cè)試波形Fig.8 Test results in the experiment

圖9為系統(tǒng)輸入、輸出測(cè)試圖，可知系統(tǒng)輸入以及輸出功率均平穩(wěn)上升，與設(shè)計(jì)相符，同時(shí)在接近180s達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，其輸出功率保持恒定，測(cè)試用時(shí)598s，證明了閉環(huán)控制策略的正確性。圖9為遠(yuǎn)光 UI2000電子鎮(zhèn)流器測(cè)試裝置測(cè)試得到，在高頻下的顯示參數(shù)并不準(zhǔn)確，在此主要測(cè)試其輸出曲線，實(shí)際效率經(jīng)測(cè)試為93.06%。圖10所示為鎮(zhèn)流器樣機(jī)以及投影儀樣機(jī)，經(jīng)測(cè)試，其在工作中無聲諧振現(xiàn)象發(fā)生，燈弧穩(wěn)定飽滿。

圖9 系統(tǒng)測(cè)試波形Fig.9 Test results of the system

圖10 系統(tǒng)樣機(jī)Fig.10 Prototype used in the laboratory

6 結(jié)論

本文提出一種數(shù)字控制投影儀用金鹵燈電子鎮(zhèn)流器，提出了可靠的啟動(dòng)方法，考慮了系統(tǒng)參數(shù)的離散性。提出了可靠的過渡過程控制策略、閉環(huán)以及保護(hù)策略，經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)可可靠啟動(dòng)、過渡平穩(wěn)、功率閉環(huán)準(zhǔn)確，在系統(tǒng)發(fā)生開路以及短路時(shí)可迅速保護(hù)。

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