数字控制金卤灯电子镇流器样机设计

卓书芳

（福建信息职业技术学院 福建 福州 350003）

金属卤化物气体放电灯是高强度气体放电灯的一种，因其发光效率高、显色性好、寿命长等优良电光源性能，已成为照明领域中极具竞争力的电光源。针对金卤灯复杂的启动及稳态运行过程，传统的模拟控制器因其硬件电路复杂，控制不灵活[1]，为此提出采用数字控制的方法来满足金卤灯的运行要求。由于金卤灯在高频下工作容易产生声谐振现象，使灯电弧不稳定，灯光闪烁，甚至熄灭，严重时会损坏放电管，大大损害灯的寿命。本文采用低频方波工作方式，由三级电路组成，即PFC级+DC/DC级+低频全桥DC/AC级，能避免金卤灯的声谐振现象，并采用数字控制方法，实现镇流器与灯的不同阶段的不同负载特性相匹配[2]。

1 电路组成

整个电路的系统结构如图1所示，主要由以下5个部分组成：PFC级为功率因数校正，采用升压型BOOST DC/DC变换器，其输出电压作为DC/DC级的输入电压；DC/DC级进行功率处理，其电路采用ZVRT BUCK电路；DC/AC级采用全桥驱动实现直流变为交流，其MOS管的驱动由单片机的I/O口输出固定占空比为50%的低频方波来实现；触发器用来产生高压启动HID灯；数字控制器用来实现电压，电流和功率控制以及异常状态保护。

图1 数字控制金卤灯电子镇流器电路框图Fig.1 Metal halide lamp electronic ballast circuit diagram of digital control

2 样机设计

2.1 PFC电路设计

PFC级为功率因数校正，用来减少输入电流的谐波，提高功率因数，减少对电网的污染，同时还给DC/DC级提供稳定的输入电压，使DC/DC级输出的电压不受电网电压变化的影响，使灯能在较大的电网电压变化范围内正常启动和稳定工作，其输出电压根据电网最大输出电压而定，一般为400 V。

2.1.1 PFC电路选用的拓扑形式及工作原理

对于高品质的电子镇流器，在其全桥整流器与大容量的滤波电解电容之间，要设置一级有源功率因数补偿电路，将网侧功率因数提高到0.95以上。

本文APFC（有源功率因数校正）电路采用单相Boost电路，控制芯片采用L6561。L6561为一电流准连续模式的APFC控制芯片，即电感电流处于连续模式与断续模式的临界点[3]。

APFC电路拓扑如图2所示，电流控制波形如图3所示，电路工作原理如下：首先控制芯片生成一电感电流的参考信号，每一开关周期开始时MOS管导通，电感电流线性增加，然后将电感电流的检测信号与参考信号相比，当电感电流检测值等于电感电流参考值时，MOS管关断，电感电流减少，当电感电流降为零时，MOS管导通，如此周而复始。电感电流的参考信号由系统输出电压检测值与给定值相减，再经由PI调节器，然后将PI调节器的输出与整流桥后端的Boost电路输入电压相乘得到。

图2 基于L6561的APFC电路图Fig．2 APFC circuit diagram based on L6561

图3 零电流开关变换器输出电感电流Fig．3 The output inductor current of zero current switching converter

2.1.2 主要参数设计

1）电感设计

为了使输出电压纹波较小，输出电容取1μ/450 V。

2.1.3 实验结果

输入电压范围：AC180V～265V；输入电压：AC220 V；输出功率：35 W；输出电压：直流 400 V；开关频率：50k；效率：大于0．95。图4为PFC输入电压电流和输出电压纹波实验波形。从图上可以看出输入电流波形跟随输入电压波形变化，与理论分析一致。

图4 PFC输入电压电流及输出电压纹波（输入电压100V/格，输入电流 0．2A/格，输出电压纹波 1V/格）Fig．4 The PFC input voltage current and output voltage ripple（input voltage 100V/grid，input current 0．2A/grid， output voltage ripple 1V/grid）

2.2ZVRT BUCK电路设计

本文采用的DC/DC ZVRT BUCK电路结构如图5所示。

图5 DC/DC ZVRT BUCK电路Fig．5 DC/DC ZVRT BUCK circuit

2.2.1 BUCK电路电感设计

由于采用ZVRT BUCK电路，则要求电路工作在DCM（断续）模式。设计电感时，以临界状态来设计电感值。设I0为BUCK输出负载电流的平均值，则有

其中ΔIL为电感的纹波电流值，在主管开通期间有，

可推导得：

可得保持电流连续模式的最小电感为：

在稳态下求得临界电感量为L=2．09 mH，由于DC/DC级采用ZVRT BUCK电路，电路工作在断续状态，则电感值要小于临界电感值，选取适当的电感值，让电感与开关并联的电容发生谐振，当开关管两端电压降为零时开关实现零电压零电流开通。

2.2.2 BUCK电路输出电容设计

在临界情况下，假定在一个开关周期内灯电流I0不变，则当电感电流IL0大于I0时，滤波电容C0充电，充电电流为ic0=iL0－I0，充电电量为：

式中Ts为开关周期，（T1，T2）为一个开关周期内电容充电时间，对于电感电流临界工作模式电容充电的电量产生电压纹波Δu0可用下式表示：

当 L0=2．09 mH 时，求得电容 C0≥0．57μF，当电感电流断续时，为保证电流纹波比较小，则电容值要取大于临界状态下的电容值。

2.3 数字控制器硬件设计

2.3.1 IR2105简介

IR2105是IR公司推出的一种双通道输出，高压、高速功率器件栅极驱动的8个管脚的单片式集成驱动器。该驱动器将输入逻辑信号转换成互补的两个低阻输出驱动信号，高端输出与输入同相位的驱动信号，低端输出与输入反相位的驱动信号，高低端互相隔离，死区时间为几百nS，其逻辑输入与LSTTL和CMOS电路相兼容。

2.3.2 DC/DC级控制电路设计

DC/DC级的控制电路如图6所示，RA0和RA1为电压电流采样口，RC4、RC5输出低频方波驱动全桥逆变电路，CCP1为PWM输出口，以一定的方式输出PID控制的结果，通过IR2105输出互补的两路波形驱动BUCK电路的主管和辅助管。由于IR2105芯片内部具有一定的死区时间和隔离电路，使其输出的驱动波形可以直接驱动BUCK电路的上下两个MOS管，从而简化了BUCK电路的驱动电路，解决了BUCK电路驱动难的问题，简单又方便。

图6 DC/DC级控制电路Fig．6 DC/DC control circuit

2.3.3 DC/DC级电压采样电路设计

因为DC/AC级仅实现直流电变为交流电，因此可取DC/DC输出电压作为灯电压采样信号。考虑到DC/DC输出的最大电压为400 V，对应的单片机采样端能表示的最大电压值为5 V，所以设计采样电路时，采用低通滤波后的电阻分压电路方式[4]。

2.3.4 DC/DC级电流采样电路设计

为了减少采样电阻上的损耗，电阻取0．5。由于灯在启动过程中，灯两端的最大电流值可能达到2 A，所以把2 A设为最大电流值，而单片机AD采样口能表示的最大电压值为5 V，当灯上的电流为2 A时，由于采样电阻为，则采样得到的电压值为1 V，如果直接把采样到的电压值送到单片机的电流采样口，以1 V作为其采样到的最大电流值，则在稳态情况下，采样的电流值相对比较小时，单片机表示的精度就会相应的变小，没有充分利用单片机口能表示的最大电压值，因此将最大电流值2 A对应单片机采样口能表示的最大电压值5 V，为此必须利用运放将采样到的电压值进行放大后再送到单片机的电流采样口，并采用反相器接法。运放采用LM358N，可采用单电源供电，VCC的范围很宽，从3VDC～30VDC，放大倍数最大为100。

2.3.5 DC/AC电路设计

DC/AC级主电路采用全桥逆变器，把DC/DC级输出的直流电压变为交流，使灯工作在低频方波，有效防止灯管的极化，有利于灯的正常工作，且可有效避免金卤灯的声谐振现象，其低频驱动方波由I/O口产生，通过IR2105产生互补的两路驱动波形去驱动MOS管。其中IR2105与DC/AC电路连接如图7所示，图中只画出一个桥臂的驱动电路连接图，另一个桥臂的驱动电路与之类似。

图7 DC/AC逆变器及控制电路Fig.7 DC/AC internet and control circuit

2.4 抗干扰设计

电磁干扰是指电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降，对于这种现象，硬件上主要从以下几个方面来实现抗干扰：减小电源线阻抗引起的干扰；接地；合理设计PCB板；瞬态噪声抑制。软件抗干扰的方法有两个：多次采样求平均值抗干扰算法和阈值抗干扰算法。

3 实验结果分析

基于上述电路拓扑分析和参数设计，研制了一种电子镇流器样机：PFC级输出400 V，DC/DC级工作频率为39 kHz，输出功率P0=35 W，灯电压为U0=85 V，PIC16F873单片机AD采样为10位，PWM输出的精度为9位[6]，低频方波频率为222 Hz，即灯两端的电压电流为低频方波[7]，可有效消除声共振的发生。图8为输出功率与输出电压值的关系曲线图，从图中可以看出，当输出电压在65 V和110 V之间变化时，输出功率基本保持不变。图9为灯两端的电压电流波形，为低频方波，可有效消除声共振的发生。

图8 不同负载下输出电压与功率曲线Fig.8 The output voltage and power curve of different load

4 结束语

文中具体分析了数字控制金卤灯电子镇流器三级电路结构的主电路及控制电路模型、组成、参数计算选择、设计，并研制了一台高功率因数、低频方波输出的数字控制金卤灯电子镇流器样机。通过对实验结果分析，验证了所提出的数字控制方案是可行的，并采用低频方波电流驱动，能有效避免金卤灯的声谐振现象。

图9 稳态时灯电压灯电流波形（电压50 V/格，电流1 A/格）Fig.9 Lamp's voltage current waveform of steady state（voltage 50 V/grid，current 1 A/grid）

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