金鹵燈二級(jí)拓?fù)潆娮渔?zhèn)流器控制策略的研究

　　1.引言

　　隨著科技進(jìn)步，人類對(duì)照明的需求也與時(shí)俱進(jìn)，經(jīng)歷了白熾燈、熒光燈兩代照明產(chǎn)品之后，人類開辟了照明史的新紀(jì)元，進(jìn)入了金屬鹵化物燈的照明時(shí)代.較之前兩代產(chǎn)品，金鹵燈的啟動(dòng)過程更為繁瑣，在此過程中需要電子鎮(zhèn)流器的參與。所以對(duì)鎮(zhèn)流器的研究成了光源照明技術(shù)發(fā)展過程中必不可少的環(huán)節(jié)。最初研究鎮(zhèn)流器主要面臨的技術(shù)難題是“聲諧振”

　　現(xiàn)象。隨著研究的深入，可采用低頻方波技術(shù)能有效的解決這個(gè)問題，使電子鎮(zhèn)流器應(yīng)用于金鹵燈獲得了極其重要的進(jìn)展。

　　在傳統(tǒng)的電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)中，往往采用三級(jí)電路拓?fù)洌室驍?shù)校正(PFC)電路、DC/DC電路和C/AC逆變電路[2].但是電路級(jí)數(shù)越多使用的器件越多并且使產(chǎn)品設(shè)計(jì)愈顯復(fù)雜。

　　因此為了節(jié)約設(shè)計(jì)成本簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，本文提出一種電子鎮(zhèn)流器二級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想。

　　2.鎮(zhèn)流器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　2.1 三級(jí)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　在電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)中，最常采用的設(shè)計(jì)電路為傳統(tǒng)的三級(jí)拓?fù)?，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由功率因數(shù)校正(PFC)電路、DC/DC電路和DC/AC電路組成，三部分電路相互獨(dú)立且各自完成相應(yīng)的功能。第一級(jí)的功率因數(shù)校正電路，可選用的拓?fù)錇锽OOST型和反激型的功率因數(shù)校正電路。

　　第二級(jí)電路為DC/DC電路，其主要功能是控制燈啟動(dòng)過程中的電流和功率，穩(wěn)定燈的工作點(diǎn)，這一級(jí)電路最常采用的拓?fù)錇锽UCK電路。

　　第三級(jí)電路為DC/AC逆變電路，其主要功能是為燈提供一個(gè)交變的工作電流和電壓，常用拓?fù)錇榘霕蚝腿珮螂娐?傳統(tǒng)的三級(jí)電路每一級(jí)電路獨(dú)立執(zhí)行相應(yīng)的功能?？刂葡鄬?duì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的可靠性較好。但是，傳統(tǒng)的三級(jí)低頻方波電路存在電路復(fù)雜、成本高、效率低等缺點(diǎn)。

　　2.2 二級(jí)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　近年來兩級(jí)低頻方波電子鎮(zhèn)流器得到了很大的發(fā)展，主要有兩種功能組合方式：

　　(1)將功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)(PFC)和DC/DC進(jìn)行合并，合并后的電路既要完成功率因數(shù)校正的功能，又需要控制燈的啟動(dòng)過程中的電流，控制較三級(jí)電路復(fù)雜。

　　(2)將DC/DC和逆變電路進(jìn)行合并，整個(gè)電路省去了DC/DC環(huán)節(jié)，逆變電路進(jìn)行PWM調(diào)制，起到控制燈電流大小和換向的作用.此種方法主要有PFC級(jí)+全橋DC/AC級(jí)和PFC級(jí)+半橋DC/AC級(jí)兩種，但是，由于半橋雙BUCK低頻方波變換器開路輸出電壓低燈信號(hào)取樣困難控制電路復(fù)雜等，所以采用PFC級(jí)+全橋DC/AC級(jí)電路。

　　3.鎮(zhèn)流器各級(jí)電路的控制策略

　　電子鎮(zhèn)流器本身，實(shí)際上是一種AC/DC/AC的特種電源。采用二極管整流、電容濾波的整流環(huán)節(jié)會(huì)使輸入電流嚴(yán)重畸變[5].特別是大量使用時(shí)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波污染且功率因數(shù)較低。對(duì)于這種使用數(shù)量大的中小功率單相電源系統(tǒng)，最理想的方法是在電源內(nèi)部采取功率因數(shù)校正措施，從根本上消除諧波源。通常功率因數(shù)校正方法有兩種：有源功率因數(shù)校正(APFC)和無源功率因數(shù)校正(PPFC)。但無源功率因數(shù)校正(PPFC)的功率因數(shù)不是很高，只能達(dá)到0.8~0.9之間，很難接近1,并且電路中電感體積大且重，給電路設(shè)計(jì)帶來一定麻煩。

　　而有源功率因數(shù)校正(APFC)技術(shù)被認(rèn)為是合適的選擇，很多公司也推出了各種成熟的功率因數(shù)校正芯片。此次設(shè)計(jì)我們采用的功率因數(shù)校正芯片就是TI公司最近新推出的UCC28019。

　　3.1 有源功率因數(shù)校正(APFC)電路

　　UCC28019是一款在連續(xù)工作模式下，采用平均電流控制策略，以固定頻率輸出PWM波控制開關(guān)管的通斷，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，該芯片具有軟啟動(dòng)、欠/過壓保護(hù)、過流保護(hù)、開路保護(hù)以及峰值電流限制等功能。

　　UCC28019通過調(diào)節(jié)BOOST電路的開關(guān)管的占空比來穩(wěn)定輸出電壓，在電路輸出端通過電阻分壓得到電壓反饋，將反饋電壓送入芯片內(nèi)部誤差比較器和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，芯片內(nèi)部振蕩器調(diào)節(jié)輸出PWM的占空比實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓。

　　3.2 全橋DC/AC逆變電路

　　上電過程是在金鹵燈點(diǎn)火擊穿以前，燈負(fù)載相當(dāng)于與開路，為了使得點(diǎn)火階段能夠正常，必須要有足夠高的開路電壓。這個(gè)電壓通過啟動(dòng)電路供給燈足夠高的電壓脈沖，擊穿燈管。

　　點(diǎn)火過程金鹵燈需要3-5KV的電壓，同時(shí)這個(gè)脈沖要保持幾十微妙的時(shí)間，脈沖上升時(shí)間越短越好。在高壓脈沖的激勵(lì)下，經(jīng)過一次或幾次燈就會(huì)啟動(dòng)，進(jìn)入下一階段。

　　瞬間產(chǎn)生高壓通常采取DC/AC逆變電路實(shí)現(xiàn)。常見的逆變電路分為半橋逆變和全橋逆變。全橋逆變電路是逆變器中得到最廣泛應(yīng)用的拓?fù)湫问?，其器件承受的電壓較低，控制靈活，在自換流或者負(fù)載換流模式下都可以工作，不依賴變壓器參與逆變，因此采用全橋逆變的控制策略。

　　為了節(jié)約成本，數(shù)控芯片我們采用AT89S52單片機(jī)，對(duì)于金鹵燈電子鎮(zhèn)流器來說，存在所謂的“聲諧振”,當(dāng)穩(wěn)態(tài)時(shí)工作頻率超過1kHz時(shí)，金鹵燈的工作狀態(tài)就會(huì)變得不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定表現(xiàn)為共鳴。為了避免生這種現(xiàn)象，我們?cè)谀孀冞^程中產(chǎn)生的PWM波不能超過1KHz,使用AT89S52單片機(jī)產(chǎn)生PWM波完全滿足設(shè)計(jì)需求，但是單片機(jī)輸出電壓過低，逆變過程需要用驅(qū)動(dòng)芯片來升高單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波電壓。

　　我們選用IR2110芯片，IR2110是美國國際整流器公司(International Rectifier Company)利用自身獨(dú)有的高壓集成電路及無門鎖CMOS技術(shù)，是目前使用較廣的大功率MOSFET和IGBT專用柵極驅(qū)動(dòng)集成電路芯片，已在電源變換、馬達(dá)調(diào)速等功率驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。

　　由單片機(jī)產(chǎn)生PWM波，輸送給IR2110,經(jīng)過升壓后控制MOS關(guān)開關(guān)產(chǎn)生交變電流，逆變產(chǎn)生的交流電經(jīng)過1:10的升壓變壓器變壓后即可滿足金鹵燈的開啟電壓。

　　4.總結(jié)

　　上述僅是基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的金鹵燈電子鎮(zhèn)流器二級(jí)電路拓?fù)涞幕狙芯糠椒?。本文采用二?jí)拓?fù)潆娐反鎮(zhèn)鹘y(tǒng)的三級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用PFC級(jí)和全橋DC/AC級(jí)電路，省去了DC/DC級(jí)電路，降低了金鹵燈的生產(chǎn)成本，但能夠正常實(shí)現(xiàn)小功率金鹵燈的穩(wěn)定啟動(dòng)，解決燈在被擊穿后出現(xiàn)的負(fù)阻特性，有利于金鹵燈在光源照明領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。