采用IRS2573D的250 W金卤灯电子镇流器电路

路秋生

(北京信息职业技术学院，北京100050)

1 HID灯电子镇流器与有关照明市场

常用HID灯有金卤灯、汞灯和钠灯，它们具有工作效率高和输出功率大的优点，金卤灯的发光效率大于100 lm/W，工作寿命可达20 000 h。在金卤灯的应用场合，金卤灯内部的工作气压高，两个放电电极之间的间距小，工作时在两个放电极间距之间直接产生可见光。

今天在许多室外照明应用场合采用HID，HID灯用电子镇流器需具备点火、预热、恒功率控制、功率因数校正和针对灯负载与电子镇流器异常工作状态的保护控制功能。在实用中，HID灯电子镇流器的设计和控制较荧光灯电子镇流器的设计要复杂得多。

表1表示目前市场上常用电光源的市场年复合增长率(CAGR)对比表，可见HID灯在家居、商用和工业领域有很好的应用空间，而白炽灯和卤钨灯的应用前景不被看好。

表1 2007～2015年灯产品的市场年复合增长率(CAGR)

2 HID灯的工作过程

HID灯主要有四个工作阶段，分别是击穿、辉光放电、辉光放电转为电弧放电和电弧放电。

(1)击穿:在HID灯点火之前，HID灯呈开路工作状态。当外加电压大于HID灯的击穿电压时，HID灯内的离子产生雪崩现象，内部气体发生电离，此时HID灯电压迅速下降，但是HID灯电压仍大于额定工作电压，灯内开始有放电电流产生。

(2)辉光放电:在辉光放电期间HID灯电压迅速下降，而HID灯电流迅速上升，辉光放电阶段历时时间非常短，此时HID灯发出不稳定的微光。

(3)辉光放电转为电弧放电:辉光放电转为电弧放电期间是HID灯的主要温度加热阶段，在此阶段HID灯电压小于额定工作电压，HID灯电流大于额定工作电流，随着HID灯工作温度的上升，灯电压逐渐增加，而灯电流将逐渐减小。最终，HID灯电压达到它的正常工作电压(典型值为100 V左右)，灯功率达到它的正常值，这个阶段为一短暂过渡阶段。

(4)电弧放电阶段:进入电弧放电阶段后，灯电极之间的电弧趋于稳定，灯进入稳定工作状态，HID的灯电流、灯电压和灯功率工作特性如图1所示。

图1 HID灯点火、预热和工作模式下的灯电压、灯电流和灯功率工作特性

通过电子镇流器的控制作用，可以满足HID灯对预热、启动和正常工作的有关技术要求。

3 250 W金卤灯电子镇流器的技术要求

使用时金卤灯需要一个高达3～4 kV(典型值)的点火电压(如果金卤灯处于热点火工作状态则点火电压要大于20 kV)，而金卤灯的工作需经历预热工作期间的限电流、正常工作时的恒功率输出控制等控制环节。金卤灯工作时需严格控制灯功率，以确保每只金卤灯发光颜色和发光亮度的一致性。并且，金卤灯的驱动电源为低频交流电压(典型低频交流驱动电压工作频率不大于200 Hz)，以避免金卤灯工作时的汞迁移和避免产生声共振的问题，在声共振的情况下会导致金卤灯损坏。

对250 W金卤灯正常工作时的主要技术要求如下:

(1)正常工作时的输出功率:250 W;

(2)正常工作灯电压:100 Vrms;

(3)正常工作灯电流:2.5 Arms;

(4)预热时间:不低于2.0 s;

(5)灯点火电压:4 000 Vpk。

下面介绍采用IRS2573D的金卤灯用电子镇流器有关技术要求和控制方法，并给出了有关电路工作原理图。

4 250 W金卤灯电子镇流器的电路工作原理

金卤灯的典型电路工作原理框图如图2所示，图中的EMI滤波器以阻断电子镇流器工作时产生的噪声对电网的干扰和电网高频干扰信号对电子镇流器正常工作的干扰。全波桥式整流电路用以将交流输入市电整流输出为直流电，升电压输出有源功率因数校正电路用于实现功率因数校正，并稳定直流输出母线电压，降压输出Buck变换器用于控制金卤灯工作电流，全桥功率输出级为金卤灯负载提供驱动功率，完成金卤灯的点火，并使金卤灯正常工作。

在图2所示的电路中的Buck变换器用以控制金卤灯工作电流和灯功率，同时Buck变换器也起将升电压输出有源功率因数校正电路输出的直流高电压变换为适合于金卤灯工作的下级全桥变换器直流供电电压，为下级全桥输出级供电。Buck变换器工作于电流连续导通工作模式(CCM)或电流临界导通工作模式(CRM)，这取决于灯负载的工作状态。

图3表示Buck变换级和全桥变换级的电路工作原理框图，在金卤灯的预热期间，一旦完成了金卤灯的点火，金卤灯的灯电压很低，但是金卤灯的工作电流很大，通过反馈控制回路控制Buck变换器的导通时间，从而完成对金卤灯工作电流的控制，在金卤灯稳定工作期间，通过灯功率反馈回路的控制作用控制Buck变换器的导通时间(如图3所示乘法器的灯功率输出信号)，从而完成对金卤灯的灯功率控制。在金卤灯的预热工作期间，Buck变换器的电流连续导通工作模式(CCM)可以允许在Buck电感不饱和的情况下为金卤灯提供更大的工作电流。

图2 金卤灯电子镇流器的典型工作原理框图

假定Buck变换器的400 V输入直流电压保持恒定(即升电压输出有源功率因数校正电路的400 V输出电压保持恒定)，取Buck变换器的正常工作频率为70 kHz，则Buck电感的参数可以利用下式计算:

由 V总线=400 V，V灯=100 V，f=70 kHz，I灯=2.5 A，有

通过全桥变换电路为金卤灯提供所需的灯电流和灯电压，全桥变换电路的典型工作频率为200 Hz，脉冲占空比为50%。在图3所示的点火控制电路中的双向触发二极管DIGN用以产生金卤灯点火所需的4 kV点火脉冲电压，通过MIGN的导通来触发点火电路的工作，RC回路的放电时间常数由电阻RIGN和电容CIGN决定。当双向触发二极管DIGN两端的电压达到它的触发阈值电压VDIAC时，双向触发二极管DIGN击穿，在点火脉冲变压器TIGN的初级绕组会产生一个点火脉冲电压，从而在点火脉冲变压器TIGN的次级升电压绕组产生金卤灯点火所需的4 kV点火脉冲电压。

总线

图3 Buck变换级和全桥变换级的电路工作原理框图

这里采用了一片ASIC控制集成电路IRS2573D，用它完成对Buck变换级和全桥输出级的控制，完成对金卤灯几个工作模式的控制，使金卤灯正常工作。IRS2573D的工作状态图如图4所示。

图4 IRS2573D的工作状态图

在IRS2573D内部含有Buck变换器控制、全桥变换器控制、灯电压和灯电流检测、灯功率和灯电流反馈控制环路、Buck变换级(BUCK引脚)的600 V高端栅极驱动输出电路，并具有逐周期过电流保护控制功能(CS引脚)，Buck开关的导通时间由灯功率控制环路(PCOMP引脚)或灯电流限制环路(ICOMP引脚)控制，Buck开关的关断时间在临界导通工作模式下由电感电流过零检测输入(ZX引脚)控制信号控制，或由连续导通工作模式(CCM)下的关断定时输入信号(TOFF引脚)决定。

IRS2573D内部还集成了600 V全桥高低端驱动电路，全桥电路的工作频率由接至外部定时引脚(CT引脚)的元器件参数决定，灯电流和灯电压的取样信号(VSENSE和ISENSE引脚)相乘后得到的信号可以反映灯功率的情况，通过点火定时输出信号(IGN引脚)驱动外接点火MOSFET管的导通、截止完成灯的点火控制(如图3所示)。点火电路由MOSFET管(MIGN)、双向二极管(DIGN)、电容(CIGN)、电阻(RIGN)和输出升压点火变压器(TIGN)组成，点火定时通过外接(TIGN引脚)元器件的参数来决定点火电路的导通、截止时间。同时，在IRS2573D内部也集成了可编程故障定时器(TCLK引脚)，用以在各种故障情况下设定可用于关断IRS2573D的故障持续时间。这些故障例如灯点火失败、灯预热失败、灯寿命终止、灯电弧不稳定、灯输出电路开路或短路等。IRS2573D含有HID灯电子镇流器电路所需的有关控制功能。

采用IRS2573D的250 W金卤灯电子镇流器的Buck变换级和全桥变换级的电路工作原理图如图5所示。

图5 Buck变换级和全桥变换级的电路工作原理图

5 小结

由于HID灯具有节能、工作寿命长和输出功率大的特点，使HID灯在道路照明和室内照明的应用场合得到了广泛的应用。但是，HID灯电子镇流器的设计是一件较复杂的工作。

由于电路采用了HID灯电子镇流器专用集成电路IRS2573D，并采用三级电路结构(APFC，Buck变换级和全桥变换级)，所以极大地简化了HID灯电子镇流器电路的设计，这个电路根据需要稍加改动即可以应用于不同功率等级的金卤灯电子镇流器电路。

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