金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的新型控制方法

提出了一種兩級無聲諧振金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的新型控制方法。鎮(zhèn)流器包括功率因數(shù)校正、一個帶降壓功能的半橋逆變電路和點火電路。這種新型的控制方法使燈工作于400Hz的低頻方波工作狀態(tài)，保證不出現(xiàn)聲諧振的發(fā)生。還提出了一種新穎且簡單的方法，克服了逆變電路換向瞬間的電流過沖問題，降低了燈工作電流的波峰系數(shù)。70W金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的樣機驗證了這種控制方法的可行性
關(guān)鍵詞：金鹵燈電子鎮(zhèn)流器；低頻逆變；恒流源；電流過沖

0 引言
??? 現(xiàn)今，高強度氣體放電燈由于它的發(fā)光效率高、色溫好、壽命長等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于廣場、道路照明等場合。而其中的金屬鹵化物燈由于擁有諸多優(yōu)點更被認為是最好的人造光源之一。但是，由于金鹵燈的負阻特性和特殊的啟動要求，必須和與之相匹配的鎮(zhèn)流器共同使用。對比于傳統(tǒng)的電感式鎮(zhèn)流器，電子鎮(zhèn)流器有著許多優(yōu)點，對它的研究和開發(fā)也是電力電子行業(yè)的一大熱點。

??? 為了確保金鹵燈不出現(xiàn)聲諧振，電子鎮(zhèn)流器一般工作于低頻方波狀態(tài)。傳統(tǒng)的低頻方波電子鎮(zhèn)流器包括3級結(jié)構(gòu)：功率因數(shù)校正電路、降壓電路和全橋逆變電路。這種結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜而且造成了鎮(zhèn)流器的成本昂貴。簡化電路、降低成本已經(jīng)成為如今研究的重點。一種方法就是把前兩級功率因數(shù)校正和降壓電路組成一級。這種方法可以減小鎮(zhèn)流器的體積，但是可能伴隨帶來的問題就是降低了功率因數(shù)校正電路的表現(xiàn)，增加了開關(guān)器件的應(yīng)力等不利因素。另一種方法就是把降壓電路和逆變電路組合在一起。這種方法可以降低鎮(zhèn)流器的體積和成本，但是控制方法可能相對復(fù)雜。

??? 組合降壓電路和半橋逆變電路在一起的方案是現(xiàn)在比較流行而且可行的方法。因為這種方式的電路相對最為簡單，成本最低。為了促進這種方案的廣泛應(yīng)用，簡化它的控制方法，克服這種電路的缺點，提高它的可靠性就成為研究的重點。

??? 本文對此種電路提出了一種新型控制方法，并且提出一種簡單有效的方法克服此電路在輸出電流換向時發(fā)生的電流過沖問題，降低了波峰系數(shù)。

1 電路描述
??? 電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.l 電路工作模態(tài)的分析
??? S1、S2的門極信號如圖2所示。當S1工作于高頻狀態(tài)時，S2被斷開。此時，電路等效于一個Buck電路，S1相當于主功率開關(guān)，而S2的體二極管相當于Buck的二極管。兩個開關(guān)管的工作狀態(tài)會以400Hz的一個頻率交替變化。這樣，就可以得到一個低頻的方波電流輸出供給燈。

??? 二極管關(guān)斷時存在一個反向恢復(fù)問題，這會大大增加器件的開關(guān)損耗。為了避免這種情況的發(fā)生，我們讓電路工作在電流斷續(xù)狀態(tài)下。圖3是逆變級Buck電感電流的狀態(tài)示意圖。

??? 當S1工作于高頻狀態(tài)而S2斷開時，電路工作于3種工作模式。

1.l.l 模式1
??? S1開通，電流流過C1、S1、Rs、燈、點火電感和Lc圖4是這種模式的等效電路圖。其中點火電感的電感量遠遠小于電感L的電感量，假設(shè)電容C上的電壓在每個開關(guān)周期中保持不變，電感L上的電壓VL為

l.1．2 模式2
??? S1斷開。由于電感電流不能突變，電流流過Rs、燈、點火電感、L、C2和D2o。圖5是此種模式的等效電路圖。電感L的電壓為

1.1．3 模式3
??? S1仍然處于斷開狀態(tài)。但是電感￡的電流降為零。此時，電容C給燈提供能量，電流流過C、Rs、燈和點火電感。圖6是此種工作模式的等效電路圖。假設(shè)電容足夠大，電容上的電壓保持不變，我們能夠從式(1)、式(2)中得到輸出的燈電壓為

???
??? 式中：系數(shù)k1與電感電流下降時間有關(guān)，在圖3中有著明確的表示。

??? 當S1斷開，S2工作于高頻開關(guān)狀態(tài)時，電路的工作過程基本上和上面的分析一致。

??? 根據(jù)上面的分析，在每半個低頻周期內(nèi)半橋逆變電路可以等效為一個Buck降壓電路。從而一個半橋逆變電路既可以提供給燈一個合適的T作電壓又能使燈工作于低頻方波狀態(tài)。

1.2 閉環(huán)控制
??? 因為金鹵燈的負阻特性，為此我們控制鎮(zhèn)流器的輸出呈現(xiàn)為電流源的特性，以保證燈的穩(wěn)定工作。圖7是半橋電路的控制方法框圖。通過Rs采樣燈電流。采樣電阻Rs上的電壓是一個低頻的方波信號。首先通過運放l把這個信號放大，然后經(jīng)過一個整流電路把這個交流的方波信號整流成直流，再經(jīng)過RC濾波后進行PI調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)輸出為一個恒流源。可見這種控制方法等效于DC／DC的控制方法，簡單且有效。

1.3 電流過沖
??? 但是，這個電路存在一個嚴重問題就是在每個輸出電流換向的瞬間會有很大的電流過沖。這樣的尖峰電流會大大降低燈的使用壽命。本文提出了一種簡單有效的方法克服這個問題。

圖8是半橋驅(qū)動門極信號的產(chǎn)生電路，其中的D觸發(fā)器、兩個與門和兩個或非門組合在一起用來減小驅(qū)動信號的占空比。而這個功能由控制腳(CP)來控制，當CP為高時，驅(qū)動的占空比就可以減小為大約原來的一半。這樣我們就可以在每個輸出電流換向的瞬間給CP一個高電平，減小驅(qū)動的占空比，以大大減小甚至消除過沖電流。圖9為一個簡單CP控制信號的產(chǎn)牛電路。圖10為腳CP信號與低頻逆變信號的時序圖。

2 實驗結(jié)果
??? 采用上述控制方法的一個70W金鹵燈電子鎮(zhèn)流器樣機已經(jīng)完成。電路主要參數(shù)如下。
??? L=380 μH；
??? C=1μF；
??? Vo=200V；
??? fh=100 kHz；
??? f1=400Hz。

??? 其中：fh為半橋電路驅(qū)動的高頻和低頻頻率；
??? f1為半橋電路驅(qū)動的低頻頻率。

??? 圖11顯示了輸出電流換向時驅(qū)動信號的變化。圖12為輸出電流換向時電感電流的變化，可以看到電流的過沖相當小。圖13為點火脈沖，由于點火是在低頻情況下進行，所以點火成功率很高。圖14為燈正常工作時的電流和電壓波形，可以看出燈電流基本沒有電流過沖的情況發(fā)生。整機效率約為90％，波峰系數(shù)為1．1。

3 結(jié)語
??? 本文提出了一種用于兩級低頻方波金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的新型控制方法。它調(diào)節(jié)輸出為恒流源，保證了燈的穩(wěn)定運行。同時克服了電路存在的電流過沖問題。相比與傳統(tǒng)的3級低頻方波電子鎮(zhèn)流器，這種電路和控制方法簡單而有效。