金鹵燈電子鎮流器動態和穩態特性研究??

摘要：介紹了一種250W金鹵燈電子鎮流器，電路由PFC，Buck變換器和全橋逆變器組成。為了避免聲諧振，全橋逆變器工作在200Hz低頻方波，并在此基礎上系統地研究金鹵燈的動態和穩態特性。

關鍵詞：電子鎮流器；金屬鹵化物燈；聲諧振

1??? 引言

??? 目前，金屬鹵化物燈因其光效高，顯色性好，壽命長等優點，已在眾多的照明領域獲得廣泛應用。但由于其伏－安特性非線性的緣故，需要鎮流器進行啟動和穩弧放電。

??? 氣體放電燈，特別是金鹵燈在高頻工作時有聲諧振的問題，會導致弧光的不穩定、色溫的變化、甚至息弧。克服聲諧振的方法主要有：

??? 1）使氣體放電燈工作在極高頻^[2]，超出聲諧振的頻率范圍，但是由于開關損耗與開關頻率成正比，散熱和效率問題會變得異常突出；

??? 2）使氣體放電燈工作在調頻狀態[^3]，使得聲諧振不可能形成，但是各個廠家生產的氣體放電燈在外形上不太一樣，無聲諧振的頻帶也不一樣，所以也比較困難；

??? 3）使氣體放電燈工作在低頻方波，聲諧振的頻帶一般在幾kHz到1MHz，所以聲諧振一般就不會形成了。

??? 本文采用三級的電子鎮流器，工作于低頻方波模式，并采用恒功率控制，避免了采用恒流控制方法而導致的隨著燈泡的老化而燈電壓升高的問題。

2??? 電路拓撲

??? 本文介紹的250W電子鎮流器如圖1所示，是 針 對 美 國 電 網 市 電 標 準 開 發 的 ， 所 以 輸 入 電 壓 為 交 流120 V。 為 了 獲 得 較 高 的 功 率 因 數 ， 第 1級 功 率 因 數 校 正 電 路 （ PFC） 將 120V交 流 電 轉 換 為 240 V直 流 ， 第 2級 DC/DC變 換 器 用 作 恒 功 率 控 制 ， 第 3級 DC/AC逆 變 器 將 直 流 轉 變 為 200 Hz方 波 電 壓 。 由 于 金 鹵 燈 燈 需 要 2～ 3 kV的 點 火 電 壓 ， 所 以 加 了 一 個 單 級 的 點 火 器 ， 用 來 產 生 高 壓 脈 沖 。 恒 功 率 控 制 采 樣 了 Buck變 換 器 （ 第 2級 DC/DC） 的 輸 出 電 壓 和 電 流 來 控 制 Buck變 換 器 的 PWM驅 動 信 號 。

圖1??? 電子鎮流器總框圖

3??? 電路工作原理

第??? 1級電路如圖2所示，由EMI濾波器和PFC電路組成。其中PFC電路采用MC34262芯片控制，可以獲得接近于1的功率因數，它將交流120V轉變為240V直流，作為下一級DC/DC變換器的輸入。

圖2??? 第1級PFC主電路

??? 第2和第3級的主電路如圖3所示，分別由一個Buck變換器和一個全橋逆變電路組成。當金鹵燈起輝前，由于負載開路，電流檢測為零，Buck控制輸出最大占空比，Buck電路輸出為240V左右，經R3向C₃充電，當充到雙向觸發管(SIDAC)的觸發電壓時，觸發管導通，C₃放電，高壓加在升壓變壓器T₁的原邊，副邊輸出一個2～3kV的高壓脈沖，加在金鹵燈的兩端，提供其點火電壓，如果一次點火失敗，C₃又被充電，重復以上過程，直到金鹵燈被點亮。當金鹵燈點亮后電流增大，則Buck變換器的輸出將會下降，穩態工作點大約在120V，低于SIDAC的觸發電壓，不會產生高壓脈沖，當燈泡壞了以后不需要關掉電源，只要重新換上新的燈泡又可以重新點亮。

圖3??? 第2和第3級主電路

4??? 實驗結果和分析

??? 一個250W電子鎮流器樣機驗證了上述方案，元件參數如下：L_Boost=180μH，C_Boost=400μF,L_Buck=120μH，CBuck=1μF，R_Sense=0.1Ω，R₁=200kΩ，R₂=256Ω，R₃=100kΩ，C₃=1μF，T₁匝比=1∶20。圖4是C₃兩端的電壓波形。可以看到SIDAC的觸發頻率是3.6Hz，即大概需要280ms，當SIDAC觸發導通時，副邊感應出一個高壓脈沖，波形如圖5所示，尖峰電壓達到2kV。

圖4??? C₃兩端的電壓

圖5??? 燈兩端點火時電壓

??? 1）動態特性

??? 圖6顯示了燈從啟動到穩態的整個過程中電壓電流的變化，從中可以看到恒功率的控制過程，燈從啟動到穩態大概需要150s。圖7和圖8分別是燈電壓、燈電流隨時間變化曲線，燈電壓是隨時間慢慢增長的，相反燈電流是隨時間慢慢降低的。金鹵燈在啟動過程中經歷了4個階段：氣體電離階段，輝光放電階段，輝光放電向弧光放電過渡階段以及弧光放電維持升壓階段。圖9是燈等效電阻隨時間的變化曲線，由于燈電阻的非線性，所以要用恒功率控制。

圖6??? 燈電壓、電流動態過程

圖7??? 燈電壓－時間曲線

圖8??? 燈電流－時間曲線

圖9??? 燈電阻－時間曲線

??? 2）穩態特性

??? 圖10是燈的穩態電壓、電流波形。可以看到電壓和電流是同相位的，電壓和電流是線性的，功率因數接近于1，所以穩態時金鹵燈可以看作是一個電阻，250W金鹵燈大概為62Ω。

圖10??? 燈兩端穩態電壓、電流波形

5??? 結語

??? 實驗研究表明本文介紹的三級電子鎮流器具有可靠性高，穩定性好的特點，啟動電路簡單，實用。文中同時給出了250W金鹵燈的穩態特性和動態特性。