HID燈和電子鎮流器間的接口設計及鎮流器可靠性研究

曹簫洪

(上海亞明燈泡廠有限公司電器開發部，上海市嘉定區201801)

1 HID電光源概述

HID照明系統由HID電光源、驅動電源(鎮流器)和燈具三部分構成，其中核心是光源。鎮流器和燈具的設計方向總是圍繞如何讓光源達到最佳的照明效果來擴展的。目前，根據發光物質的差別，HID電光源分三大類，即高壓汞燈(HPL)、高壓鈉燈(HPS)和金鹵燈(MH)，其中金鹵燈又分石英金鹵燈(QMH)和陶瓷金鹵燈(CMH或者CDM)兩種。

以前HPL燈主要應用于戶外照明，但是由于它的光效較低，HPL現在已逐漸被HPS燈取代。雖然LED路燈概念初步付諸了實踐，但是戶外照明中性價比最高的依然是傳統電感式鎮流器驅動的HPS燈。HPS的初始光效可以達到100 lm/W以上，并且可以實現20%的調光，非常適合于照明節能，這都是HPS的主要優點。但是HPS的顯色指數(CRI)較小，只有20左右，難看的黃光是HPS燈主要的缺陷。同屬鈉燈系列的白鈉燈(SDW)通過犧牲光效(50lm/W附近)，可以將CRI大大提高到80以上，在超市的肉類櫥窗里很有用武之地。

光效和顯色指數這兩個指標，在鈉燈系列電光源中是不易兼得的，但在金鹵燈中卻得到了很好的平衡，例如:金鹵燈初始光效在80lm/W之上，顯色指數在70以上。同QMH相比，大批量生產的CDM的初始色溫一致性好，長期工作后的色溫穩定性好，CDM放電管壁材料采用PCA，對鹵鹽的腐蝕性耐力較強，從而避免了QMH放電管在某些狀態下爆炸的危險。同等功率的CDM同QMH相比(如70W)，顯色指數和光效都提高了10多個點，預期壽命是QMH的1.5倍左右。并且，可以被調光到50%的CDM燈也已經問世。在不久的將來，光效可以和HPS燈媲美、顯色性好、可調光的CDM燈將成為戶外照明的新生力量。

HID燈初始光效是指燈在連續工作100小時之后所測得的光效，它的高低由燈自身特性決定，同鎮流器性能基本無關。但是，HID燈長期工作的時效性—流明(光效)維持率和CRI穩定性，卻極大地受驅動鎮流器性能的影響。由于照明系統的核心是電光源，所以在保證安全和滿足成本控制等要求的前提下，最大限度地發揮燈的照明效果，是鎮流器優化設計的基本準則。拋開鎮流器的市場因素不說，如果只從照明系統的性能角度出發，評估電子鎮流器質量優劣的最重要指標就是燈—鎮流器接口性能(Lamp Driver Interaction or Interface-LDI)的好壞。LDI是一個綜合指標，首先它根據燈的工作特性，要求鎮流器有適合的參數匹配，以便給燈提供最佳的驅動效果;其次，它要求在燈的不同工作階段和異常工作狀態下鎮流器都有很好的可靠性。HID鎮流器和燈的匹配性及鎮流器自身的可靠性是本文討論的核心。

2 HID燈和電子鎮流器間接口性能指標(LDI)

HID燈的工作是一個復雜的氣體放電和原子發光的過程，HID燈要被可靠點亮并長期穩定高效地工作，必須對燈電壓、燈電流和燈功率的大小、形狀、頻率、諧波含量等電學參數提出規范化的要求，而HID電子鎮流器線路拓撲不斷發展及控制方法不斷完善的目的也就是為了更好地達到這些規范化的要求。HID燈的各個工作階段直接關聯HID鎮流器的設計，它們分別是:

(1)放電管的電流擊穿同鎮流器的點火尖峰電壓間的關系:當鎮流器產生的點火尖峰電壓足夠大時(>3kV)，HID放電管中的中性原子(如汞原子)開始被電離，正離子轟擊電極并產生大量電子，導致電子雪崩和自持放電，這就是放電管的電流擊穿階段，該階段的放電是輝光放電，要求鎮流器給放電管電極之間提供足夠高度和寬度的電壓尖峰。如果尖峰電壓峰值不夠大，或者尖峰電壓中累積有效脈寬不夠大，則放電管不易自持放電;如果尖峰電壓峰值太大(如>5kV)，則在HID燈的熱點火時，在HID外泡的兩個電極引線之間可能會發生拉弧打火現象。另外，基于安全考慮，鎮流器的點火過程應該是可控的，當點火時間超過30分鐘時，點火線路必須停止工作。

(2)放電管的電壓擊穿同鎮流器開路電壓(OCV)間的關系:在輝光放電發生后，如果在放電管兩個電極之間維持足夠大的電壓，則電子雪崩程度會加劇，最終導致放電管電極兩端電壓從開路電壓(open-circuit voltage，OCV)跳變到10V左右，該過程被稱為輝光放電到弧光放電的轉移(GTA)，這就是放電管的電壓擊穿階段，該階段要求鎮流器能夠在放電管兩個電極之間維持足夠大的OCV。如果OCV不夠大，則放電管的電壓擊穿不易實現，GTA不順暢，很難過渡到穩定的弧光放電階段，則輝光放電維持時間被拉長;如果OCV過大，則汞正離子對電極的轟擊太過劇烈，會引起電極物質的過渡濺射。輝光放電維持時間長，電極物質濺射嚴重，是HID燈壽命縮短以及流明維持率驟減的主要原因，所以OCV過小或者過大，都是不允許的。

(3)放電管的Runup過程同鎮流器的Runup電流大小間的關系:HID燈的Runup過程就是放電管中汞齊和鹵鹽氣化，電極兩端電壓和燈功率逐步增大的過程，當燈功率達到滿功率時，Runup階段完成。在CDM燈的Runup階段，鎮流器最好能夠輸出大小恒定的Runup電流，并且Runup電流大小的設置應符合燈的規格要求。如果Runup電流過小，則放電管鹵鹽不能氣化，燈會熄滅;而如果Runup電流過大，則電極物質蒸發損耗太大，放電管管壁過早發黑，也會引起流明維持率驟減。

(4)放電管中的聲共振、放電管的老化同鎮流器輸出電流波形間的關系:金鹵燈能否穩定長期工作，燈流明維持率的高低、使用壽命的長短，同鎮流器輸出到燈中的電流波形形狀關系很大。理論和實踐都證明，低頻方波電流是驅動金鹵燈的最佳方式，它能有效抑制金鹵燈放電管中的聲共振、延緩流明維持率的衰減速度、延長金鹵燈的使用壽命。對低頻方波電流形狀的要求，又可細化為以下指標:①電流頻率應該介于70Hz～400Hz之間，以克服頻閃并避開聲共振;②電流換向速度要快，盡量保證換流在100uS以內完成，以便減少換向過程中的電子復合和輝光放電;③換流邊沿的電流過沖要小，電流峰值因數(CF)小，以便減弱電極物質的蒸發;④燈電流中包含的高頻紋波含量要盡量少，否則聲共振有被激發的危險。

(5)放電管中光色穩定性同鎮流器功率控制間的關系:隨著HID燈的老化(鹵鹽成分變化和流失、電極物質的濺射和蒸發)，燈電壓會不斷上升，而功率控制的目的就是保證燈功率按照設定的規律變化。HID燈的功率控制，對于穩定光色和延長燈管的使用壽命都是必須的。在金鹵燈中，如果燈功率過低，則光色偏綠;若燈功率過高，雖然光色不變，但是會導致放電管管壁溫度和及其中的鹵鹽溫度升高，加速管壁的腐蝕和老化。金鹵燈(QMH和CDM)的功率控制要求比較簡單，那就是在燈電壓的整個正常工作范圍內(如70V～150V)，燈功率基本維持不變。在大批量生產中，不同金鹵燈個體之間的功率存在偏差，一般來說，實際燈功率同額定燈功率之間有±3%到±5%的偏差是允許的。

在白鈉燈(SDW)中，不同于金鹵燈的地方是，即便白鈉燈一直工作在初始額定功率上，但隨著燈電壓的上升，光色也會漂移，所以白鈉燈的燈功率不僅不能過低和過高，而且燈功率大小必須隨著燈壓的上升而不斷調整，以便維持光色的穩定。

(6)放電管壽終(End-of-life，EOL)風險同鎮流器EOL保護功能間的關系:在金鹵燈中，氣體放電和發光是在石英或陶瓷內膽中發生的，但是由于老化或其他原因，內膽中的鹵鹽可能會泄漏到外泡之中。當外泡中鹵鹽濃度氣壓超過5mPar時，外泡中也會發生氣體放電，并導致燈座溫度顯著上升和燈線絕緣層的快速老化和破損，從而帶來觸電等安全風險，這就是HID燈的EOL風險。正是由于HID燈在EOL工作階段涉及到用戶的安全問題，IEC標準(60598)要求在HID燈具中，在HID燈泡的EOL工作狀態，燈座溫度不能超過180°，或者對應于HID燈泡箍頸(Pinch)部位的溫度不可以超過350°。為了達到這個標準，HID鎮流器必須具有識別HID燈泡EOL特征的功能，并在EOL工作狀態出現時，要盡快停止HID燈的工作。

EOL風險的嚴重程度主要同3個因素有關，分別是:①燈泡內膽容積同外泡容積的比值;②燈泡內膽中鹵鹽填充濃度(氣壓);③外泡中放電類型。相比較而言，150W CMH燈泡的EOL風險最大。不同公司生產的150W CDM燈，燈泡內膽中填充的鹵鹽濃度可能不相同，因而EOL風險也各不相同。即便是同一個150W，工作在EOL狀態的CDM燈泡，它的EOL風險大小還同外泡中的放電模式相關聯。EOL燈泡中，外泡中的放電分以下3種:①輝光放電模式;②弧光放電模式;③白熾燈模式，其中弧光放電模式和白熾燈模式的安全風險最大。

在知名國際品牌的CMH燈中，試驗數據表明，150W CMH燈中，GE公司生產的燈泡EOL風險較大;而70W CMH燈中，Philips公司生產的燈泡EOL風險較大。

圖1給出了CDM燈工作在EOL階段的輝光放電狀態(左)和白熾燈狀態(右)的圖片。白熾燈狀態下，輸入到燈的電功率大部分耗散在焦耳熱的產生上(而不是發光)，從而燈腳(Pin)和燈線溫升很大，燈線絕緣層容易被燙傷破損和過早老化，可能導致燈線金屬層同燈具發生短路和用戶被電擊的危險。

圖1 工作在輝光放電狀態和白熾燈狀態的EOL燈圖片

3 HID電子鎮流器同燈接口設計的基本原理

LDI具有雙重意義，它不僅要求HID鎮流器給HID燈提供良好的驅動，同時要求在HID燈所有工作階段和可能的異常工作狀態下，HID電子鎮流器都具有高度的可靠性來抵御失效。

通過上面的敘述，我們知道，要深入理解HID燈的性能要求和工作特性，將燈在不同工作階段所需要的驅動條件及對應的等效電學參數融匯到鎮流器的設計中，是HID電子鎮流器設計的基本立足點和出發點。首先，為了驅動HID燈，HID電子鎮流器必須具備的基本外部特性是:

(1) 在燈的點火階段，提供恒定的OCV電壓和適當高度和足夠寬度的點火尖峰電壓，點火時序和點火維持時間是可控的;

(2) 在燈的Runup階段，提供恒定的Runup電流;

(3) 在燈的正常工作階段，提供恒定的輸出功率或者恒定光色控制。

(4) 在燈的EOL工作階段，能夠識別EOL狀

電力電子線路中的“臨界電感電流模式”技術也被應用到HID電子整流器的線路設計之中，在臨界電感電流模式下，燈電流的大小控制就非常簡單，因為電感電流峰值的一半就等于燈電流，所以在燈的Runup階段，只要將電感電流的峰值控制在設定值，就可以實現恒電流Runup。另外，這個技術對于提高鎮流器的可靠性，實現“零電壓開關”和改善電磁兼容性都起到重要的作用。

從對HID燈的匹配性而言，三級結構的鎮流器是最友善的，并且在控制方法的實施難易程度上，利用三級結構的HID鎮流器來實現燈所要求的恒壓、恒流和恒功率(恒光色)是比較簡單的，其中BUCK變換器的控制是核心。在三級線路中(圖2上)，BOOST變換器實現功率因數校正和恒定直流電壓輸出的兩大功能，BUCK變換器實現穩壓(點火階段)和限流(Runup階段和正常工作階段)的兩大功能，而逆變橋實現低頻換向的功能。首先，在燈的點火階段，控制BUCK變換器輸出電壓的大小，可以給燈提供恒定的OCV電壓。在燈的Runup階段，控制工作于臨界模式的BUCK變換器電感電態，并采取適合的保護動作。

簡單的說，在HID燈不同的工作階段，電子鎮流器分別具有恒壓、恒流、恒功率的外部特性，為了使鎮流器具備這些輸出特性，同時為了順應電力電子產品發展的基本趨勢(高能效、高功率密度、小型化)，鎮流器內部線路必須采取適合的拓撲結構及控制邏輯。

目前市場上HID電子鎮流器的主電路拓撲分三級結構和兩級結構兩類，而兩極拓撲又分全橋兩極(FBCF)和半橋兩極(HBCF)兩種，它們的原理圖在圖2給出。

在HID電子鎮流器中，基于安全原因，點火尖峰電壓發生線路的工作應該交由定時器來控制，并且通過調整與燈相串聯的升壓變壓器的匝比(如圖中的Lig元件)以及調整同該變壓器繞組相并聯的點火電容容值大小，就可以將點火尖峰的高度和寬度調整到適合的數值。當燈被點亮時，尖峰電壓發生線路的工作被中止;當超過一定時間后，如果燈仍然不能被點亮，則停止尖峰電壓發生線路的工作。為了降低HID燈的EOL風險，點火動作應該是間斷式的(burst ignition)，這一點后面再詳述。流峰值的大小，可以給燈提供恒定的Runup電流。而在燈的正常工作階段，根據燈電壓的變化，控制BUCK變換器輸入電流的平均值，可以實現恒功率控制或者恒光色控制。在燈的EOL階段，通過監控BUCK變換器的輸出電壓的變化范圍，來識別燈的EOL狀態并實施EOL保護。

雖然HID鎮流器三級線路同燈之間的匹配最友善，但是該線路對電能要通過三級處理，所以線路效率比兩極線路低;并且，三級線路需要較多的元器件，元器件的成本可能比兩極線路高;再者，三級線路中，PCB面積大，不利于鎮流器小型化的發展趨勢。正是由于三級線路的這些不易彌補的缺點，兩極線路才是今后主流的發展方向。

圖2 HID電子鎮流器三級線路、兩級線路(FBCF、HBCF)原理圖

在兩級的FBCF線路中(圖2中)，除了要實現低頻換向的功能外，還要輸出穩定的OCV電壓(點火階段)和限流(Runup階段和正常工作階段)等功能。FBCF的直流輸入電壓一直穩定在400V，在燈的點火階段，通過調整高頻橋臂開關的占空比，可以將燈電極兩端的OCV電壓調整到設定值;在Runup階段和正常工作階段，電感L2工作在臨界電流模式，通過調整高頻橋臂開關的Ton(每個開關周期內的通態時間)，可以控制L2電感電流的峰值，并進一步控制燈電流的大小。顯然，FBCF線路兼具三級線路中的BUCK變換器和低頻換向逆變橋的所有功能。在兩級的HBCF線路中(圖2下)，除了實現低頻換向的功能外，還要實現限流(Runup階段和正常工作階段)功能。在Runup階段和正常工作階段，電感L2工作在臨界電流模式，通過調整高頻橋臂開關的Ton(通態時間)，可以控制L2電感電流的峰值，并進一步控制燈電流的大小。

相對于兩級線路而言，在HID燈的各個工作階段，三級線路鎮流器自身的可靠性也比較高，因為在HID電子鎮流器線路中，可靠性方面最大的“原理級隱患”來自于工作在高頻開關狀態的橋式結構。原因是這樣的:如果橋臂開關管體內寄生二極管反向恢復時間長(如>150nS)，則上開關管(或下管)開通時刻下管(或上管)的體內寄生二極管可能還處在續流狀態，上管(或下管)的開啟，會在下管(或上管)的體內寄生二極管中引起劇烈的反向恢復，并進一步引起下管(或上管)的誤導通，從而導致上下開關管直通而燒毀橋臂。雖然三階線路也有橋式結構，但是橋臂開關工作于70Hz～400Hz的低頻，基本避免了高頻工作開關管體內寄生二極管反向恢復慢所導致的橋臂燒毀的問題。

而在標準的兩極線路中，橋臂開關管工作在高頻狀態，此時鎮流器的可靠性將成為一個突出的問題。為了降低兩級線路在可靠性上的風險，HBCF線路有兩種應用廣泛的改進版本，如圖3所示。改進版本1(圖3左，Philips方案):將標準的半橋改變為雙BUCK結構，引入外部快恢復二極管來給電感電流續流，完全消除了橋式結構MOS管直通的問題。改進版本2(圖3右，Osram方案):在橋臂兩個MOS管的漏極分別串入肖特基二極管，以便阻斷MOS管體內寄生二極管的工作，再反并聯快恢復二極管給電感電流續流，該方案也基本消除了橋臂直通的問題，但是要注意肖特基的溫升。

圖3 HBCF改進線路原理圖(飛利浦版本和歐司朗版本)

實現HBCF電感電流臨界工作模式(提高橋臂可靠性)，同時保證電感電流的峰值是可控的(以便控制燈電流大小并限制橋臂開關最大電流)，則在HBCF控制線路中必須具備兩個基本功能，即電感電流峰值檢測功能和電感電流過零檢測功能，以便快速控制橋臂開關的開通和關斷動作。在HBCF線路中，國際知名照明公司都有各自的專用芯片來實現電流峰值檢測和電流過零檢測的功能，譬如飛利浦公司的CCIC芯片，銳高公司的CM3493芯片等。國內雖然有許多HID電子鎮流器生產企業，但是都沒有一款擁有自主知識產權的控制芯片，所以國內HID鎮流器的主線路絕大部分都是采用三級結構。少數幾家國內小企業嘗試仿造飛利浦公司的CCIC芯片，并且基于這個仿造芯片，可以制造出兩極線路的鎮流器。但是這種嘗試難免會由于專利壁壘的限制，而在日后受到飛利浦公司的追殺。

4 HID電子鎮流器同燈接口性能測試方法

可以通過一組測試試驗來系統地評估HID鎮流器對燈接口匹配性能的好壞，它們分別是:點火測試、頻繁點燈流明維持率測試、長期工作時效測試、EOL風險測試。

(1) 點火測試

點火測試的目的是評估鎮流器的點燈能力。在測鎮流器(DUT)取極限偏差參數時，在規定時間內，最長燈線下，能否多次點亮不同壽命階段的冷燈和熱燈。測試中所用的HID燈是經過特殊處理的，電極都有不同程度的磨損。

(2) 頻繁點燈流明維持率測試

頻繁點燈流明測試的目的就是評估鎮流器驅動HID燈時燈電極物質的濺射程度，也可以粗略預測該鎮流器和燈配套使用后燈的壽命。通過比較DUT鎮流器和基準鎮流器對同一批次HID燈頻繁點燈后流明測試結果的差異，就可以判斷DUT鎮流器的接口參數設置是否適合。

(3) 長期工作時效測試

長期工作時效測試的目的是綜合評估DUT鎮流器長時間驅動HID燈時燈電極物質的蒸發程度、顯色指數的一致性和色溫的穩定性。

(4) EOL風險測試

該測試的目的是評估鎮流器和燈配套工作時的安全風險。根據鎮流器產品規格書中的數據說明，將6個待測鎮流器取極限偏差參數，在規定時間內按照一定周期多次驅動EOL燈，并測量在每個驅動周期中，EOL燈箍頸處的最高溫度。測試標準要求決大部分溫度點位于350℃之下，而且6個DUT鎮流器都不能失效，否則測試失敗。

5 結論

本文圍繞兩個核心概念——匹配性和可靠性，闡述了HID電子整流器和燈之間接口設計的基本原理，以及接口性能測試的基本方法。相信本文可以對國內同行有所幫助，同時也希望同行指出文中不足之處，以期改進。

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