金鹵燈二級拓撲電子鎮(zhèn)流器控制策略的研究

【摘要】金鹵燈啟動過程包括上電、點火、過渡、升壓和穩(wěn)態(tài)五個階段，在整個過程中存在強烈的非線性特性，特別是在燈擊穿后，將會出現(xiàn)負阻特性，因此電子鎮(zhèn)流器要采用不同的控制策略，使燈能夠從一個階段順利地進入下一個階段。為了節(jié)約成本，提高燈的使用效率，本文采用二級拓撲電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)的三級拓撲結構，采用PFC級和全橋DC/AC級電路，實現(xiàn)小功率金鹵燈的穩(wěn)定啟動。

【關鍵詞】金鹵燈；電子鎮(zhèn)流器；二級拓撲；小功率

1.引言

隨著科技進步，人類對照明的需求也與時俱進，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元，進入了金屬鹵化物燈的照明時代[1]。較之前兩代產(chǎn)品，金鹵燈的啟動過程更為繁瑣，在此過程中需要電子鎮(zhèn)流器的參與。所以對鎮(zhèn)流器的研究成了光源照明技術發(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能有效的解決這個問題，使電子鎮(zhèn)流器應用于金鹵燈獲得了極其重要的進展。

在傳統(tǒng)的電子鎮(zhèn)流器的設計中，往往采用三級電路拓撲，包括率因數(shù)校正（PFC）電路、DC/DC電路和C/AC逆變電路[2]。但是電路級數(shù)越多使用的器件越多并且使產(chǎn)品設計愈顯復雜。因此為了節(jié)約設計成本簡化電路設計，本文提出一種電子鎮(zhèn)流器二級拓撲結構的設計思想。

2.鎮(zhèn)流器的電路拓撲結構

2.1 三級電路拓撲結構

在電子鎮(zhèn)流器的設計中，最常采用的設計電路為傳統(tǒng)的三級拓撲，系統(tǒng)結構由功率因數(shù)校正（PFC）電路、DC/DC電路和DC/AC電路組成，三部分電路相互獨立且各自完成相應的功能。第一級的功率因數(shù)校正電路，可選用的拓撲為BOOST型和反激型的功率因數(shù)校正電路。第二級電路為DC/DC電路，其主要功能是控制燈啟動過程中的電流和功率，穩(wěn)定燈的工作點，這一級電路最常采用的拓撲為BUCK電路。第三級電路為DC/AC逆變電路，其主要功能是為燈提供一個交變的工作電流和電壓，常用拓撲為半橋和全橋電路[3]。傳統(tǒng)的三級電路每一級電路獨立執(zhí)行相應的功能。控制相對簡單，系統(tǒng)的可靠性較好。但是，傳統(tǒng)的三級低頻方波電路存在電路復雜、成本高、效率低等缺點。

2.2 二級電路拓撲結構

近年來兩級低頻方波電子鎮(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過程中的電流，控制較三級電路復雜。

（2）將DC/DC和逆變電路進行合并，整個電路省去了DC/DC環(huán)節(jié)，逆變電路進行PWM調制，起到控制燈電流大小和換向的作用[4]。此種方法主要有PFC級+全橋DC/AC級和PFC級+半橋DC/AC級兩種，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取樣困難控制電路復雜等，所以采用PFC級+全橋DC/AC級電路。

3.鎮(zhèn)流器各級電路的控制策略

電子鎮(zhèn)流器本身，實際上是一種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)會使輸入電流嚴重畸變[5]。特別是大量使用時對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴重的諧波污染且功率因數(shù)較低。對于這種使用數(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，給電路設計帶來一定麻煩。而有源功率因數(shù)校正（APFC）技術被認為是合適的選擇，很多公司也推出了各種成熟的功率因數(shù)校正芯片。此次設計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波控制開關管的通斷，實現(xiàn)功率因數(shù)校正，該芯片具有軟啟動、欠/過壓保護、過流保護、開路保護以及峰值電流限制等功能。

UCC28019通過調節(jié)BOOST電路的開關管的占空比來穩(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部誤差比較器和基準電壓進行比較，芯片內部振蕩器調節(jié)輸出PWM的占空比實現(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火擊穿以前，燈負載相當于與開路，為了使得點火階段能夠正常，必須要有足夠高的開路電壓。這個電壓通過啟動電路供給燈足夠高的電壓脈沖，擊穿燈管。

點火過程金鹵燈需要3-5KV的電壓，同時這個脈沖要保持幾十微妙的時間，脈沖上升時間越短越好。在高壓脈沖的激勵下，經(jīng)過一次或幾次燈就會啟動，進入下一階段。

瞬間產(chǎn)生高壓通常采取DC/AC逆變電路實現(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用的拓撲形式，其器件承受的電壓較低，控制靈活，在自換流或者負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，對于金鹵燈電子鎮(zhèn)流器來說，存在所謂的“聲諧振”，當穩(wěn)態(tài)時工作頻率超過1kHz時，金鹵燈的工作狀態(tài)就會變得不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定表現(xiàn)為共鳴。為了避免生這種現(xiàn)象，我們在逆變過程中產(chǎn)生的PWM波不能超過1KHz，使用AT89S52單片機產(chǎn)生PWM波完全滿足設計需求，但是單片機輸出電壓過低，逆變過程需要用驅動芯片來升高單片機產(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）利用自身獨有的高壓集成電路及無門鎖CMOS技術，是目前使用較廣的大功率MOSFET和IGBT專用柵極驅動集成電路芯片，已在電源變換、馬達調速等功率驅動領域中獲得了廣泛的應用。由單片機產(chǎn)生PWM波，輸送給IR2110，經(jīng)過升壓后控制MOS關開關產(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

上述僅是基于單片機設計的金鹵燈電子鎮(zhèn)流器二級電路拓撲的基本研究方法。本文采用二級拓撲電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)的三級拓撲結構，采用PFC級和全橋DC/AC級電路，省去了DC/DC級電路，降低了金鹵燈的生產(chǎn)成本，但能夠正常實現(xiàn)小功率金鹵燈的穩(wěn)定啟動，解決燈在被擊穿后出現(xiàn)的負阻特性，有利于金鹵燈在光源照明領域的廣泛應用。

參考文獻

[1]吳繼俠，張小娣，柳鈺.基于單片機的金鹵燈電子鎮(zhèn)流器研制[J].現(xiàn)代電子技術，2009（17）：171-173.

[2]林國慶.HID燈用低頻方波電子鎮(zhèn)流器數(shù)字控制策略研究[J].電工電能新技術，2010（03）：72-75.

[3]鄭園圓，林國慶，唐建山.基于數(shù)字控制的兩級金鹵燈電子鎮(zhèn)流器研究[J].電力電子技術，2010（08）：91-92.

[4]林國慶，陳人華.低頻方波金鹵燈電子鎮(zhèn)流器及其控制策略研究[J].中國電機工程學報，2004（9）：173-176.

[5]張波，趙莉華，黃念慈.低頻方波金鹵燈電子鎮(zhèn)流器設計[J].電源世界，2008（5）：21-24.