一種數(shù)字化小功率金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的研究

摘要：研究了一種新型的具有異常狀態(tài)自動(dòng)保護(hù)和穩(wěn)態(tài)燈功率閉環(huán)的小功率金鹵燈電子鎮(zhèn)流器，分析其電路結(jié)構(gòu)、工作原理和控制程序。啟動(dòng)階段采用并聯(lián)負(fù)載諧振電路，穩(wěn)態(tài)階段采用半橋雙Buck電路。采用3次諧波諧振方式可以降低啟動(dòng)電流，采用啟動(dòng)電壓限幅值控制滑頻截止點(diǎn)可以克服元件參數(shù)離散性的影響。采用低頻方波方式可有效抑制穩(wěn)態(tài)的聲諧振。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該電路的有效性。

關(guān)鍵詞：鎮(zhèn)流器；諧振/金鹵燈

1.       引言

　　金鹵燈是一種第三代電光源，因其光效高，壽命長，在綠色照明中扮演了越來越為重要的角色。電子鎮(zhèn)流器作為一種節(jié)能照明電器，已成為實(shí)施綠色照明的重點(diǎn)內(nèi)容之一。與傳統(tǒng)的電感鎮(zhèn)流器相比，電子鎮(zhèn)流器的體積和重量大大減小，能夠提高網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量，改善照明質(zhì)量。但是，現(xiàn)在市場上普遍應(yīng)用的是電感鎮(zhèn)流器，主要原因是結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，價(jià)格便宜。因此，對(duì)金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的開發(fā)提出了更高的要求，即必須滿足能可靠地啟動(dòng)金鹵燈；提供恒定的額定功率；必須消除聲諧振現(xiàn)象；具有保護(hù)功能。本文主要針對(duì)于室內(nèi)照明的小功率金鹵燈，設(shè)計(jì)其電子鎮(zhèn)流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究其控制策略。

2.       拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作方式及控制策略

　　圖1示出設(shè)計(jì)的電子鎮(zhèn)流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其啟動(dòng)階段及穩(wěn)態(tài)工作階段分別采用半橋并聯(lián)負(fù)載諧振（Parallel Load Resonant，簡稱PLR）電路和半橋雙Buck電路。在金鹵燈啟動(dòng)前，由于電弧管中填充的惰性氣體未電離，燈處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，可近似認(rèn)為是開路的。在啟動(dòng)階段，圖1中的Relay斷開，開關(guān)管VQ₁和VQ₂加互補(bǔ)的高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖2示出PLR電路。并聯(lián)的諧振電容C_p和諧振電感L(L₁和L₂之和)在高頻交流電壓驅(qū)動(dòng)下諧振，從而在C_p兩端產(chǎn)生高電壓。

　　這時(shí)，諧振變換電路所加的驅(qū)動(dòng)電壓為交流方波，幅值是直流母線電壓U_bus的50%。它的傅里葉級(jí)數(shù)展開式為：             （1）

　　PLR電路的固有諧振頻率為：

　　                                （2）

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　　圖3示出諧振電壓u_r和逆變電路開關(guān)頻率f_c的關(guān)系。從高頻向低頻，f_c越接近f_z，C_p上的諧振電壓u_r的幅度越大。PLR電路的輸入電壓是富含奇次諧波的方波電壓。如果方波電壓的基波頻率高于電路的f_z，則設(shè)計(jì)時(shí)可只考慮基波而忽略高次諧波的影響；如果方波電壓的基波頻率低于電路的f_z，則必須考慮高次諧波頻率的影響，諧波諧振可能成為u_r的主要部分。本文采用3次u_r諧振，有效減小了啟動(dòng)時(shí)串聯(lián)電感中的電流，提高了功率電路的可靠性。

　　此外，采用在諧振峰的右側(cè)從高向低滑頻，諧振電路工作在感性區(qū)，可實(shí)現(xiàn)VQ₁，VQ₂的零電壓開通，減少M(fèi)OSFET的開關(guān)損耗。由于參數(shù)的離散性，設(shè)計(jì)的諧振峰（圖3的曲線2）可能向左（圖3的曲線3）或向右（圖3的曲線1）偏移。如果靠設(shè)定滑頻截止點(diǎn)控制啟動(dòng)過程，當(dāng)諧振峰向左偏移時(shí)，達(dá)到滑頻截止點(diǎn)時(shí)，u_r可能仍然無法把燈點(diǎn)亮；當(dāng)諧振峰向右偏移時(shí)，啟動(dòng)過程可能滑過諧振峰，產(chǎn)生過高的u_r，損壞功率開關(guān)。所以，可通過設(shè)定啟動(dòng)電壓u_g限幅值控制滑頻的截止點(diǎn)。當(dāng)滑頻產(chǎn)生的高壓達(dá)到電壓限幅值，即所需的高壓時(shí)，自動(dòng)停止滑頻。

　　燈點(diǎn)亮后，燈由原來的高阻特性轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥栊?。待燈弧穩(wěn)定，燈功率達(dá)到設(shè)定值，圖1中的Relay閉合，采用的驅(qū)動(dòng)信號(hào)變?yōu)榫哂懈哳l調(diào)制的低頻方波信號(hào)。此時(shí)，電路結(jié)構(gòu)和工作模式具有明顯的對(duì)稱性，在低頻開關(guān)周期內(nèi)具有Buck電路的工作特點(diǎn)，圖4示出半橋雙Buck電路結(jié)構(gòu)。其燈電壓u₀和燈電流i_o都是低頻方波信號(hào)，可有效抑制燈聲諧振現(xiàn)象。因?yàn)楫?dāng)小功率金鹵燈的伏安特性為阻性時(shí)，同時(shí)正負(fù)交替變化的方波u_o和i_o使燈功率中沒有交流成分，從而不能激發(fā)聲諧振。

　　設(shè)計(jì)的電子鎮(zhèn)流器以FREESCALE的8位單片機(jī)為控制核心，通過檢測(cè)燈端電壓u_c和直流母線電流實(shí)現(xiàn)燈功率閉環(huán)控制和保護(hù)功能，當(dāng)燈端出現(xiàn)開路、短路等異常狀態(tài)時(shí)鎮(zhèn)流器可進(jìn)行自動(dòng)保護(hù)。圖5示出控制程序框圖。啟動(dòng)時(shí)，控制電路輸出互補(bǔ)的高頻方波信號(hào)控制 VQ₁，VQ₂的通斷，頻率從高向低滑動(dòng)，u_c逐漸升高，通過設(shè)定u_c的限幅值來控制滑頻的截止點(diǎn)。當(dāng)u_c突然降落，并低于設(shè)定的判斷值時(shí)，說明燈弧管里的氣體電離，進(jìn)入單頻暫態(tài)過渡；當(dāng)燈功率達(dá)到設(shè)定值，說明燈已經(jīng)點(diǎn)亮，滿足了切換條件；當(dāng)Relay閉合時(shí)，電路從并聯(lián)負(fù)載諧振切換到半橋雙Buck電路結(jié)構(gòu)，控制電路輸出具有高頻調(diào)制的低頻方波信號(hào)，并進(jìn)行穩(wěn)態(tài)功率閉環(huán)控制。半橋雙Buck電路的輸入端是400V的U_bus，因此通過對(duì)母線電流的采樣就能實(shí)現(xiàn)對(duì)燈功率的近似控制。如果在過渡過程或穩(wěn)態(tài)控制階段發(fā)生燈端開路或短路故障，則可自動(dòng)封鎖功率電路輸出，進(jìn)入延時(shí)保護(hù)狀態(tài)。

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3. 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　根據(jù)上述分析，并針對(duì)OSRAM的70W金鹵燈設(shè)計(jì)了電子鎮(zhèn)流器，進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

　　若使無輔助電極的小功率金鹵燈啟動(dòng)，脈沖幅度應(yīng)在17kV以上。圖6a示出采用Pspice仿真得到的電子鎮(zhèn)流器啟動(dòng)時(shí)的燈端電壓u_c和電感電流i_L仿真波形；圖6b示出用Tek-1389C示波器采集到的電子鎮(zhèn)流器啟動(dòng)時(shí)的u_c和i_L實(shí)驗(yàn)波形?？梢?，采用的3次諧波滑頻點(diǎn)燈方式輸出的電壓幅值可達(dá)2.5kV，可以提供足夠的啟動(dòng)電壓。

　　圖6c示出采用Pspice仿真得到的穩(wěn)態(tài)時(shí)的燈電壓u_o和燈電流i_o仿真波形；圖6d示出用Tek-1389C示波器采集到的電子鎮(zhèn)流器穩(wěn)態(tài)時(shí)的u_o和i_o實(shí)驗(yàn)波形?？梢姡瑄_o和i_o均接近頻率為100Hz的低頻方波，此時(shí)燈端功率近似為恒定值，能保證金鹵燈的穩(wěn)定工作，有效抑制了聲諧振現(xiàn)象。圖7示出穩(wěn)態(tài)時(shí)MOSFET的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)u_gVQ1和u_gVQ2波形。u_gVQ1和u_gVQ2在一個(gè)低頻工作周期內(nèi)都可分成高頻驅(qū)動(dòng)和低頻封鎖兩個(gè)階段，并且這兩個(gè)狀態(tài)在VQ₁和VQ₂中交替出現(xiàn)。在前半個(gè)工作周期內(nèi)，驅(qū)動(dòng)VQ₁高頻開關(guān)工作，而VQ₂處于封鎖狀態(tài)；在后半個(gè)工作周期內(nèi)，驅(qū)動(dòng)VQ₂高頻開關(guān)工作，VQ₁處于封鎖狀態(tài)。

4.       結(jié)論

　　研究的70W小功率金鹵燈電子鎮(zhèn)流器具有異常狀態(tài)自動(dòng)保護(hù)和穩(wěn)態(tài)燈功率閉環(huán)控制。采用并聯(lián)負(fù)載諧振電路和啟動(dòng)電壓幅值限制可克服元件參數(shù)離散性對(duì)啟動(dòng)過程的影響，可保證燈可靠啟動(dòng)。采用3次諧波諧振方式可降低啟動(dòng)電流，提高可靠性。采用低頻方波方式可有效抑制燈穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的聲諧振。通過仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的小功率金鹵燈電子鎮(zhèn)流器在啟動(dòng)及穩(wěn)態(tài)工作情況下均能滿足要求。