一种70 W恒功率金卤灯电子镇流器

2011-09-26王念春黄星星盛晓东余振中

电源学报 2011年1期

吉宇，王念春，黄星星，盛晓东，余振中

（东南大学电气工程学院，南京210096）

引言

金属卤化物灯(MHL)作为绿色照明光源中高压气体放电灯（HID）的典型代表，具备高光效、显色性好、功率高、寿命长等优点而被称为最理想的光源，广泛应用在各种场合，如汽车前灯、放映机灯等。金卤灯作为一种气体放电灯，具有负阻特性，所以必须使用镇流器来保证其稳定工作。传统的电感式镇流器结构简单、技术成熟且成本很低，但由于其尺寸较大、功率因数低、受输入电压变化影响较大等问题已逐渐被更为先进的电子式镇流器所取代。本文介绍了一种基于单片机控制的数字式三级式恒功率金卤灯电子镇流器，详细分析了其拓扑结构的各级电路构成，设计了单片机控制电路及软件流程。并依此研制了70 W金卤灯电子镇流器的样品，测试结果显示这种镇流器性能良好，达到了设计指标要求。

1 镇流器基本拓扑结构

现在相关行业领域已经提出了多种电子镇流器的控制思想，其中的一个共同点是寻求在稳定工作的同时避免声谐振现象的发生。为了避免声谐振，必须调节灯的工作频率使其远离声谐振频带。这可以有多种方法，如使灯工作在高频（约数百kHz）信号加低频调制状态；也可以使金卤灯工作在超高频（数MHz）来避免声谐振，但是这样会导致开关损耗的增加。实践应用表明，低频方波驱动金卤灯的方案是消除声谐振现象最有效的解决方法。

低频方波驱动MHL方案应用最为广泛的是三级式电子镇流器，其最适宜产品化。三级式电子镇流器的基本构成如图1所示，第一级功率因数校正电路通常采用Boost APFC电路，在减小电流谐波提高功率因数的同时，为之后的功率控制级电路提供恒定直流母线电压；第二级功率控制级采用Buck降压电路来控制灯的功率；第三级即为全桥逆变电路，其输出低频方波来驱动金卤灯。在本设计中，当金卤灯进入稳态运行，全桥输出153 Hz的低频方波，这样可以很好地避免声谐振现象[1,2]。

图1 三级式电子镇流器拓扑结构

2 各级电路结构设计

2.1 EMI滤波器与整流环节

产品化的电子镇流器输入通常都为标准交流输入，而为实现低频方波驱动MHL，同时实现恒功率控制，希望输入为恒定电压，所以需要对输入进行变流，一般采用不控的全桥整流。电子镇流器与外部电网之间可能存在相互干扰，如来自电网的电压畸变及其他电磁干扰可能会使镇流器性能受到影响，同时镇流器自身产生的电磁干扰也可能进入电网，污染电网电磁环境，所以需要用EMI滤波器来消除两者间的相互干扰。由于在两系统接口处各种干扰最为严重，故EMI滤波器应放在镇流器输入接口处。一般采用交流线路EMI滤波器，可以有效地抑制差模与共模噪声。

2.2 功率因数校正电路

镇流器的PFC级功率电路用来修正输入电压与电流波形相位，以提高镇流器的功率因数，使其达到相应的产品要求标准。PFC电路设计为宽电压输入，同时采用Boost升压输出电路的形式，输出为恒定电压，本文中设计为400 V，以利于后面产生金卤灯点火所需要的数千伏高压。PFC电路工作模式可分为连续导电模式（CCM）、断续导电模式（DCM）及临界断续导电模式（CRM）。其中在临界断续导电模式下频率与脉宽均可调，电路结构简单，控制相对简单，在450 W以内的电子镇流器中应用广泛。所以在本设计中采用工作在CRM模式下的Boost APFC电路。

Boost APFC电路控制芯片选用ST公司的L6561，可工作在CRM模式下，为峰值电流控制方式，适合应用在低功率场合。

2.3 Buck功率控制电路

Buck功率控制电路是实现金卤灯的稳态控制，主要是指恒功率控制。所谓的恒功率控制就是保证金卤灯在正常工作时，输出功率保持不变。输出功率决定了金卤灯的流明输出和相关色温指数，恒功率下金卤灯的光输出及相关色温指数均会十分稳定，不仅可以保证照明质量，同时也可以延长金卤灯的使用寿命。

Buck电路的输出功率是通过Buck电路中开关管的开关占空比来控制的。而开关管占空比是通过反馈控制信号与参考信号比较来获得的。参考信号指用来控制输出功率的一个恒定电平，而反馈控制信号可通过Buck开关管上电流反馈信号与Buck输出电压反馈信号相加来获得，如图2。通过适当地选取两反馈信号的增益，就可以实现MHL的恒功率控制。这种控制策略是比较理想的，可以在很大程度上消除金卤灯自身或工况原因造成的等效阻抗变化的影响[3]。

图2 恒功率控制电路示意图

2.4 全桥及点火电路

全桥控制采用两个半桥驱动器IR2103来分别驱动全桥的一对上、下桥臂，一个半桥驱动电路结构如图3。IR2103为高电压高速功率MOS管及IGBT驱动器，拥有独立的高、低参考电平输出通道，驱动设计逻辑十分简单，如图4，易于软件程序流程设计，适用于低成本的电子镇流器。

图3 IR2103控制的半桥驱动电路结构

金卤灯是一种气体放电灯，在启动时需要一个高压脉冲触发，使得灯管内的气体击穿放电，该电压应当不低于灯管的最低启动电压，同时，该电压也不能太高，点火电压太高一方面会增加对阴极的溅射，另一方面也会对电路其他器件的可靠性造成影响。金属卤化物灯电子镇流器的启动电路必须能够提供很高的启动电压击穿弧隙产生电弧，并且应该具有在起弧后自动关闭的功能。一种脉冲点火电路如图5所示。

图4 IR2103输出驱动逻辑

图5 点火电路结构

当灯启动前，全桥的输出电压比双向触发管Dig的崩溃电压要高，Dig击穿构成通路，形成上升幅度较大的脉冲电流，因互感效应使变压器副边产生高压以点亮金卤灯，同时由于电容Cig充电电压上升，使通过Dig的电流逐渐减小，直到关断，此时电容两端电压因充电反向，为全桥电路电压反向时点火启动提供点火高压。金卤灯启动后阻值很小，变压器副边形成通路，副边电压较小，使得原边电压低于Dig的崩溃电压因此Dig处于关断状态，不会再产生高压，电路能够稳定工作。其中L1，L2起到抗高压的作用，都取 0.1 mH；Cig取 0.22 μF/630 V；Dig取崩溃电压为300 V的双向触发管。

3 单片机控制电路及程序流程设计

单片机控制与保护电路的功能主要是完成金卤灯的启动控制及实现金卤灯稳定工作时的监测和保护，确保整个系统的正常运行。金卤灯启动过程比较复杂，为了简化控制，采用分段匹配金卤灯负载特性的线性控制策略，将整个启动过程分为高压触发、过渡阶段、恒功率运行三个状态。

软件程序流程基于金卤灯自身的特性，金卤灯在点火之前处于高阻状态，需要一个高压触发，点火成功后，金卤灯两端电压瞬间下降到较低水平并维持一段时间，接着电压升高直至其稳态工作电压。当点火成功后，点火电路中Dig处于关断状态，变压器原边这路不再工作。Buck输出经全桥逆变后直接加在变压器副边那路，认为Buck输出电压就和金卤灯两端电压几乎相等。故可以通过检测Buck输出电压的变化来精确判断点火是否成功，具体控制策略如下：高压触发阶段Buck电路工作于Burst-mode工作方式，也即使Buck电路保持一个稳定的空载输出高电压，这个电压一般由前面的PFC电路决定，本设计中为400 V。由于开机后这个电压的建立需要一段时间，所以需要单片机进行检测，当检测到Buck电路输出电压低于一定量值时，可认为电路故障，系统进入待机状态；当检测到其大于350 V时，即可由单片机控制全桥芯片IR2103产生驱动方波，驱动频率从120 Hz递增，步长2 Hz，上限150 Hz，全桥输出对金卤灯进行点火。金卤灯点火成功后会进入一个约100 s左右的过渡阶段，过渡阶段可分为两个阶段，第一个阶段为低压维持阶段，灯两端电压维持在一个较低的水平，第二个阶段灯两端电压开始升高直至其稳态工作电压。所以在开始产生全桥驱动脉冲后，同时检测Buck输出电压，若电压小于某一设定值，则可认为点火成功，降低全桥工作频率以减少其输出方波中脉冲尖峰的干扰。当Buck输出电压开始上升直至设定值时，则再次改变全桥工作频率为灯稳定工作时的频率，使之输出为153 Hz的恒频方波，电路进入恒功率控制阶段，并不断对电路进行监控保护[4]。

镇流器工作中若出现没有接金卤灯或者灯坏掉的情况，会出现不停的点火现象；另外当金卤灯过热时，其所需启动电压会升至万伏以上，此时镇流器输出的高压脉冲不足以点亮金卤灯，也会出现不断点火的现象。长时间过高的电压脉冲对电子镇流器和灯都有危险。为了保护电路的安全，必须避免这种情况的发生。若点火不成功的话，可判断电子镇流器开路、灯出现故障或者灯管过热。若是灯管过热，延迟一段时间后，等到灯管冷却下来再进行点火，如此反复15次，若点火仍不成功，则可判断电子镇流器处于开路状态或灯出现故障，则单片机发出控制信号使电子镇流器停止工作以等待维修。此外，工作时还要通过温度传感器检测整个系统，若系统温度过高，超过某一设定值，则单片机控制Buck、全桥停止工作，只有当系统温度再次低于一定温度时电路才重新工作。

4 实验结果及分析

根据以上的分析设计，制作了70 W三级式恒功率金卤灯电子镇流器的原型，对其进行测试以验证其性能。该电子镇流器的设计要求如下：输入范围：170～250 VAC/50 Hz，工作电压变化之下，输出电压变化小于±2%；功率因数PF＞0.95；电流总谐波（THD）值＜15%；输出功率：70～76 W； Buck电路开关频率：50 kHz左右；点火电压脉冲＞3 kV。

图6 稳态后MHL两端电压采样波形

在金卤灯成功点亮进入稳态后，测试金卤灯两端电压为约91 V，如图6(经分压器采样得到)，金卤灯在进入稳态运行后其等效电阻约115 Ω，则电路输出功率为91*91/115=72 W，符合设计要求；使用调压器调节输入使其在170～250 VAC间变化，分别测试稳态时金卤灯两端电压，测试结果显示其始终维持在91 V，电压变化率远远小于2%；从图7的波形中可以看出Buck电路开关频率为1/20 μs=50 kHz,符合设计要求。