（电力电子与电力传动专业论文）hid灯电子镇流器控制策略的研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t a san e wt y p el i g h t i n gs o u r c e ，h i g hi n t e n s i t yd i s c h a r g e ( h i d ) l a m ph a s s o m ee x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c sw i t hh i g hl i g h t i n ge f f i c i e n c y , g o o dc o l o rr e n d e r i n g a n dl o n gl i f e t i m e i th a sb e e nm o r ea n dm o r ep o p u l a ri nt h e s ea p p l i c a t i o n s i n c l u d i n g ：g y m n a s i u m ，e x h i b i t i o n ，c a r n i e ，s t r e e tl i g h t i n g t h e r e f o r e t h e d e v e l o p m e n to ft h ed r i v ec i r c u i to ft h el a m p ，n a m e l yb a l l a s t ，h a sb e c o m ea n i m p o r t a n tr e s e a r c hp o i n t t h er e s e a r c ho ft h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ec o n t r o l s t r a t e g yo fe l e c t r o n i cb a l l a s t s o m ec o n t r o lm e t h o d sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d i nt h i sp a p e r b a s e do nt h ea n a l y s i s ，an o v e lc o n t r o ls t r a t e g yi sp r o p o s e d a tt h eb e g i n n i n go ft h i sd i s s e r t a t i o n ，m o d e ml i g h t i n gs o u r c ea n dr e s e a r c h s t a t u sa r ei n t r o d u c e d i nc h a p t e ri i ，t h e p h y s i c a la n de l e c t r i c a lc h a r a c t e r s o fh i dl a m pa r e d i s c u s s e di nd e t a i l t h ek e yr e q u i r e m e n t sf o rt h ed e s i g no fh i dp o w e rs u p p l ya r e p r e s e n t e d ，w h i c ha r e ：( 1 ) h i g hv o l t a g e i g n i t i o n g e n e r a lm e t a lh a l i d el a m p u s u a l l yn e e d sa tl e a s t3 0 0 0v o l ti g n i t i o nv o l t a g e ；( 2 ) c o n s t a n tp o w e rc o n t r o li n s t e a d ys t a t e ，t h el a m pc o u l ds u f f e rt h eh a r mo fp o w e rd i t h e r i n ga n do v e rr a t e d p o w e r , h e n c et h eh i de l e c t r o n i cb a l l a s tm u s tg u a r a n t e et h el a m pd r i v e nu n d e r c o n s t a n to u t p u tp o w e r a f t e r w a r d s ，g e n e r a lm e t h o d so fi g n i t i o na n dc o n s t a n t p o w e rc o n t r o la r ep r e s e n t e d t h e f l y b a c k c o n v e r t e rh a st h r e ec u r r e n tm o d e s ：c o n t i n u o u sm o d e ， d i s c o n t i n u o u sm o d e ，c r i t i c a lc o n t i n u o u sm o d e b a s e do nt h ed i s c o n t i n u o u s c u r r e n tm o d e ，c h a p t e ri i ip r e s e n t san o v e lc o n s t a n tp o w e rc o n t r o ls t r a t e g y , a n d d e t a i l e ds i m u l a t i o nr e s u l t sa r ep r e s e n t e da f t e r w a r d s i nt h ee n do ft h i sp a p e r , d e t a i ld e s i g np r o c e s sf o r7 0w g e n e r a lm e t a lh a l i d e l a m pi sp r e s e n t e d ，a n de x p e f i m e n t f lr e s u l t sa r ep r o v i d e dt ov e r i f yt h et h e o r e t i c a n a l y s i s k e yw o r d ：h i dl a m p ；m e t a lh a l i d el a m p ；e l e c t r o n i c a lb a l l a s t ；c o n s t a n t p o w e rc o n t r 0 1 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密一使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：文勺批 日期口4 、f - 、飞1 指导老师虢文3 甲 日期：，z 刀叫、0j ，1 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 本论文创新点如下： 1 ：提出一种恒功率控制方法。与传统的控制方法相比，其结构更为简 单，控制效果良好，稳态时输出功率抖动小，抗扰动能力强。 2 ：h i d 灯工作于本文所提出的恒功率控制方法之下，开关变换器将会 出现一种特有的电流工作模式伪断续模式。充分利用伪断续模式的工作 特点，可以很容易的实现h i d 灯从启动点火到稳定工作这一段过渡过程的 功率控制。 甲众久7 队 仂。1 7 f 、旷飞，1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 现代光源综述 1 1 1 白炽灯 第1 章绪论 自爱迪生于1 8 7 9 年发明白炽灯以来，白炽灯就一直使用到现在【4 】。白 炽灯的发光基于热辐射原理，其实现方法是给灯丝提供足够大的电流， 使灯丝发热至白炽状态，从而发出光亮。白炽灯结构简单、成本低廉、 亮度容易调整和控制、显色性好，但也存在许多致命的缺点，如使用寿 命短、发光效率低( 仅有1 2 一1 8 电能可转化为光能，而其余部分电能 都以热能的形式散失) 、色温低。 1 1 2 卤素灯 卤素灯在保留白炽灯优点的同时，极大地消除了白炽灯的缺点( 1 4 1 。 两者最大的区别在于卤素灯的玻璃管中充有卤族元素气体( 通常是碘或 溴) 。卤素灯的工作原理为：当灯丝发热时，钨原子被蒸发后向玻璃管 壁方向移动，当接近玻璃管壁时，钨蒸气被冷却到大约8 0 0 并与卤素 原子结合在一起，形成卤化钨( 碘化钨或溴化钨) 。卤化钨向玻璃管中 央继续移动，重新回到被氧化的灯丝上。由于卤化钨是一种不稳定的化 合物，遇热后会重新分解成卤素蒸气和钨，钨在灯丝上沉积下来以弥补 被蒸发掉的部分。通过这种再生循环过程，不但延长了灯丝的使用寿命 ( 几乎是白炽灯的4 倍) ，同时由于灯丝可以工作在更高温度下，从而 得到了更高的亮度，更高的色温和更高的发光效率。 1 1 3 荧光灯 荧光灯即低压汞灯，它利用荧光粉吸收低气压的汞蒸气在放电过程 中辐射的紫外线，从而使荧光粉发出可见光，属于低气压弧光放电光源 【引。荧光灯内装有两个灯丝，灯丝上涂有电子发射材料三元碳酸盐( 碳 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 酸钡、碳酸锶和碳酸钙，俗称电子粉) 。灯管内壁涂有荧光粉，管内充 有4 0 0 p a - 5 0 0 p a 压力的氩气和少量的汞。在交流电作用下，两个灯丝交 替地作为阴极和阳极通电后，液态汞蒸发成压力为0 8 p a 的汞蒸气，在 电场作用下，汞原子不断从原始状态被激发成激发态，继而自发跃迁到 基态以释放多余的能量，并辐射出波长主要为2 5 3 7 n m 和1 8 5 n m 的紫外 线( 主峰值波长是2 5 3 7 n m ，约占全部辐射能的7 0 一8 0 ；次峰值波长 是1 8 5 n m ，约占全部辐射能的1 0 ) 。荧光粉吸收紫外线的辐射能后发 出可见光。荧光粉不同，发出的光线也不同，这就是荧光灯可做成白色 和各种彩色的缘由。荧光灯所消耗的电能大部分用于产生紫外线，因而 荧光灯的发光效率远比白炽灯和卤素灯高。 1 1 4 高强度气体放电灯 高强度气体放电灯( h i d ) 的工作原理与白炽灯完全不同】。h d 灯 两电极之间发生弧光放电，利用放电管内的填充物质发射光线，即光线直接 由电弧放电产生。所有气体放电灯均需要与特殊的镇流器配合使用，以实现 点火和限流作用。与填充物为气体的放电灯( 如氙灯) 相比，填充物为金属 的放电灯需要一定的时间( 2 - 3 分钟) 才能达到最大的光输出，这是因为金 属填充材料完全蒸发需要一定的时间。h i d 灯主要有高压钠灯、金属卤化物 灯( 金卤灯) 、高压汞灯、氙灯等。 高压钠灯光效高、色温低，对雾气、尘埃的穿透能力特别强，主要应用 于道路照明。 金卤灯光效高、光色好、节能，是绿色照明工程的首选产品，主要用于 体育场馆、机场、车站、港口和城市亮化工程等泛光照明系统 2 1 。随着生产 的发展和市场的拓宽，金卤灯产品将在城市道路、商业广场、超市和工矿照 明中大量使用，有较大的市场发展空间。 氙灯的主要特点和优点：高亮度、目光色( 色温接近6 0 0 0 k ) 、在可 见光区光谱连续、高显色性( 显色指数大于9 5 ) 、在寿命期内维持光色特 性、高电弧稳定性、热重启能力【3 9 1 。额定功率低于4 5 0 w 的氙气灯几乎都 用于科技领域。如：显徽镜、图形扫描、色对比、内窥镜等。大功率氙气灯 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 主要用于商业领域。如：电影放映、幻灯投影、电视视频投影、探照灯、追 光灯、模拟太阳灯等。 1 2 电子镇流器国内外研究现状 与荧光灯相同，h i d 灯亦呈现一种负阻抗特性，需要镇流器以确保灯管 稳定工作【7 】。电感镇流器存在绕组线径粗、体积大、材料消耗多、自身消耗 功率大( 达到灯功率的1 5 甚至更高) 、温升高、功率因数低( o 3 0 4 ) 等固有缺点，不符合绿色照明的要求。以节能、轻便的电子镇流器代替传统 电感镇流器已经成为绿色照明工程中的一项紧迫任务。电子镇流器一般使气 体放电灯工作于高频( 几l d - i z 几百k h z ) ，用较小的电感就可以实现系统 稳定工作，通过控制技术使灯电流或灯功率处于恒定状态，达到镇流效果。 电子镇流器的快速发展，使荧光灯电子镇流器逐步占据主导地位，而h i d 灯电子镇流器将是未来的发展趋势【3 7 1 。 上世纪7 0 年代末，p h i l i p s 开发出最早的荧光灯电子镇流器【l3 1 。目前， 电子镇流器的研究主要集中在世界上几大照明公司，如g e 、o s r a m 和 p h i l i p s 。经过多年的积累，他们各自拥有了许多专利技术。此外，日本松下、 日立、三菱以及美国的环球迈特、欧洲的t r i d o n i c 等均在电子镇流器的研究 和设计上取得很多研究成果。一部分i c 设计公司通过电子镇流器控制i c 的 设计，也对电子镇流器开展了一些研究。例如，美国瓜公司最近推出了针 对常用荧光灯电子镇流器设计的一套软件【4 3 】；t i 公司在9 0 年代中期推出了 针对汽车前照灯电子镇流器的专用控制芯片；2 0 0 1 年，m i c r o c h i p 公司和 p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r 公司推出了适用于电子镇流器的8 位单片机【4 酣。 我国直到9 0 年代初才真正开始电子镇流器的研究【2 3 1 。9 0 年代后期，随 着绿色照明工程的实施，国内一些照明企业( 如浙江阳光、深圳中电) 以及 台湾大学、成功大学、中山大学等一些学者针对荧光灯电子镇流器开展了研 究。浙江大学、哈尔滨工业大学在高压钠灯电子镇流器研究方面取得了一些 成果【4 引。总体上看，国内研制的电子镇流器已取得了很大的进展，但与国 外照明公司相比还有相当大的差距，对气体放电灯本身特性的认识以及对高 性能电子镇流器的研究设计还十分有限。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 论文研究意义和主要工作 在理论分析的基础上，研究性能优越的h i d 灯电子镇流器具有重要的 现实意义。本论文拟提出一种新型的恒功率控制方法，并将其应用到h i d 灯电子镇流器中。 本论文的主要工作如下： 1 第1 章介绍现代光源及其电子镇流器的现状和发展趋势； 2 第2 章阐述传统恒功率控制方式的控制原理及实现方法； 3 第3 章提出一种新型恒功率控制方式，阐述其工作原理及实现方法， 并做仿真验证； 4 第4 章针对该新型恒功率控制方式，设计一台7 0 w 普通金属卤化物 灯电子镇流器，给出主电路的详细设计过程和试验测试波形。 5 最后，总结本文的工作，并对下一步工作进行展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章金卤灯及其镇流器原理与特性 电子镇流器作为一种特殊的开关电源，由于其负载的特殊性而与其它开 关电源相区别【3 】。因此，电子镇流器研究要针对灯的基本特性来开展。由于 气体放电灯种类繁多，使用的电子镇流器也各有差别。作为普通金属卤化物 灯( 金卤灯) 电子镇流器，其性能要求必然要符合金卤灯的特性。本章在介 绍金卤灯发光原理与基本特性的基础上，分析其对电子镇流器的基本要求， 然后根据这些要求总结出电子镇流器的设计难点。 2 1 金卤灯的发光原理 自1 9 7 2 年慕尼黑奥运会第一次使用金卤灯作为体育场馆照明以来，世 界各国特别是g e 、p h i l i p s 、o s r a m 等世界著名电光源公司对金卤灯的开 发和研制热度始终未减【6 】。我国上海亚明灯泡厂于上世纪九十年代，引进美 国先锋公司的第一条金卤灯专用生产线生产灯泡。既保证了1 9 9 0 年亚运会 体育场馆照明之用，也带动了光源照明全行业对金卤灯的开发和生产。九十 年代初全国年生产2 0 万只金卤灯，2 0 0 3 年全国金卤灯的产量已超过了1 2 0 0 万只，我国已成为名副其实的金卤灯生产大国，产生了巨大的经济效益和社 会效益。 严格来说，金属卤化物灯是在高压汞灯的基础上，与高压钠灯相结合而 发展起来的【5 】。高压汞灯发光效率低，光色偏青、缺黄红光谱。而高压钠灯 发光效率高达11 0l m w ，但显色指数低，发出的光为黄色，缺蓝绿光谱。 研究者们设想，如在汞灯弧光管中填充不同金属，利用他们不同的本征光谱 组合，能否生产出发光效率高、显色指数也高的发光管? 在研究初期，要么 是合乎需要的金属添加物没有足够的蒸汽压，要么是添加物与熔融的以 电弧管材料发生强烈反应。理论上讲，元素周期表中所有的卤化物都可充当 发光物，但经过认真筛选只有大约5 0 种金属碘( 溴) 化物被用作为添加剂。 通过实验发现，在高压汞灯的电弧管内填充金属碘化物，碘化物分子进入高 温电弧管内将分解为金属原子和碘，金属原子被电离后激发，并发出有特径 的光谱线，当金属原子扩散返回管壁时，在靠近管壁的较冷区域与碘原子相 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 遇，重新结合成碘化物分子。2 0 世纪6 0 年代初根据这原理，美国首先制 成了第一个金属卤化物灯一“钪钠灯”。之后，荷兰、英国、德国和日本相 继开发出钠铊铟体系、镝铊体系及氯化锡分子体系，共同推动了金卤灯的高 速发展。 2 2 金卤灯电子镇流器的基本功能 t a k e n ，n o n b f i 村o n蚺啪啦 r u n 蛳s t e a d ys 协协 o 婚f i o n s1 n s1 5 # n be o i 憾3 0 - 5 0 s f - ；一f 1n 几n 厂 il ju ul u u1 7 、。 _ 2 a v 2 0 - e o v 7 0 - t 1 w- 2 4 a v w 3 0 0 v 3 * - 4 k v , s a m a x i - -nn 门1 o 7 i 一1 1 a _ 1nn ki ju l l lll jul 7 - - _ - - _ - j 图2 1 金卤灯从启动到稳态的电压电流波形图【6 】 金卤灯包含四个放电过程：击穿( i g n i t i o n ) 、辉光( t a k e o v e r ) 、辉光到 弧光( w a r m u p ) 、弧光( r u n u p ) ，图2 1 所示为7 0 w 金卤灯从启动到稳 态的电压电流波形图。由图2 一l 可以看到，在灯击穿前，电子镇流器需要提 供一个幅值为2 4 0 v 的空载输出电压，用于触发高压点火电路以得到3 4 k v 的高压触发脉冲( 1 1 。灯在高压击穿以后，有很长一段时间的不稳定工作状态。 在此状态下，灯交替工作于辉光放电和弧光放电之间，同时灯具有高电压和 大电流的特性。当灯进入弧光放电后，镇流器提供给灯的功率应逐渐增加， 直至灯进入稳定状态，此后镇流器向灯提供恒定的功率。要实现这些功能， 电子镇流器必须包含以下几项关键技术：空载输出电压控制：高压点火控制； 变功率控制；恒功率控制 7 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图2 2 金属卤化物灯电子镇流器典型结构框图 目前典型的金属卤化物灯电子镇流器结构框图如图2 2 所示，各部分的 工作原理简述如下【8 】： 1 功率因数校正电路：由于普通金属卤化物灯与电网相连接，因此电 子镇流器中必须包含功率因数校正电路。目前小功率单相有源功率因数校正 技术己经比较成熟，主要选用b o o s t 型电路拓扑。 2 功率控制电路：由于功率因数校正电路的输出电压一般都比较高， 而灯的稳定工作电压为几十伏到一百伏之间。因此必须使用直流直流电路 进行变换，而且灯的功率控制也在这一级实现。 3 逆变电路：由于大多数普通金属卤化物灯需要工作在交流状态，因 此，必须使用逆变电路将直流电流转变为交流方波电流。逆变电路一般都采 用全桥逆变器。 4 点火电路：灯启动时需要高压脉冲击穿灯管，因此需要高压启动电 路。普通金属卤化物灯对脉冲电压的幅值，宽度都有一些特殊的要求。 2 3 空载输出电压控制 空载电压控制保证在灯击穿前d c d c 变换器的输出电压维持在某个固 定值，这个电压称为空载输出电压，一般情况下，空载输出电压有两个作用： 第一，它是点火电路的输入电压，高的空载电压可以降低点火电路的设计难 度；第二，空载电压与输出电容的电容量共同决定了输出电容在灯击穿前的 储能。由于在灯击穿后的瞬间，电源还不能立刻给灯提供能量，为了不至使 灯熄火，输出电容将在这一短暂时间内向灯提供能量。因此，空载输出电压 的取值应当与d c d c 变换器的输出电容量相匹配。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 空载输出电压的选择依据是：确保在灯点火前输出电容存储足够多的能 量，但是过多的能量又会导致灯管内电极发生溅射，缩短灯泡的使用寿命。 而且，市面上的灯泡类型多种多样，不同类型的灯泡，对启动点火电路的要 求都不一致。因此，必须要根据灯泡类型有针对性的选择空载输出电压值。 空载输出电压的控制方法：为了得到这一幅值达几百伏的空载输出电 压，传统的方法是采用电压型单环控制，即直接以空载输出电压为反馈信号， 通过模拟或数字方式调节d c d c 变换器开关管的占空比。 2 4 高压点火控制 普通金属卤化物灯需要3 4 k v 的高压脉冲才能将其击穿。为了产生高 压脉冲，可以使用高变比的变压器，也可以采用外挂式电子触发器 1 0 1 。 1 ) 脉冲变压器式点火方式 普通金属卤化物灯可以采用脉冲变压器式点火方式，通过在升压变压器 原边施加一幅值为几百伏的电压脉冲信号，在脉冲变压器的副边获得高达几 千伏的高压脉冲来启动金卤灯。这种带隔离变压器的启动电路不仅可以保证 有足够高的电压使灯正常启动，还可以有效地避免高压脉冲串入d c d c 回 路，造成开关器件损坏f 3 8 】。典型的脉冲式启动电路如图2 3 所示。 l a m p 到基 一i 石 回 d c d c 一 变换器 c = r - 知c踮墨i ； i 图2 3 典型的脉冲式点火电路 在灯点亮前，电路处于空载状态，d c d c 变换器输出的能量存储在电 容c 中。c 上的电压值逐渐上升，当其到达双向击穿稳压管( s i d a c ) 的击 穿电压后，s i d a c 导通，电容上的电压通过变压器加到灯管两端。s i d a c 的导 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 通时间很短，当它的电流小于维持电流之后马上关断，进入下一个工作周期。 只要灯没有点亮，启动电路将持续工作。一旦灯被高压击穿，电容c 上的 能量瞬间释放，d c d c 变换器的输出电压将会立即下降。灯正常工作时， 电容c 上的电压始终保持在一个比较低的值，不足以击穿s i d a c ，点火电路 处于休眠状态。 2 ) 电子触发器式点火方式 普通金属卤化物灯另外一种比较常见的启动方式是采用外挂式电子触 发器 i 1 1 。应用这种方式时，触发器独立于电子镇流器之外，按某种方式与 电子镇流器相连。而脉冲变压器式点火方式的点火电路是集成在电子镇流器 中。按结构方式，电子触发器可以分为并联系和串联型。并联型接线如图 2 4 所示。这种工作方式的触发器与灯并联，对高压脉冲而言则与镇流器相 串联。灯未点火前，触发器产生的高压脉冲同时作用于灯及镇流器。目前市 场上出售的c d 3 、f c d k 型电子触发器等都属于并联型 3 7 1 。其中c d 一2 、 c d 3 属于单脉冲型，具有较高的脉冲幅度，并且其脉冲幅度随电网波动变 化很大。电网高峰时脉冲幅度很高，这时会严重影响灯及镇流器寿命，若将 其用于小功率金卤灯还会导致灯泡启动后自熄。f c d k 属于多脉冲型，脉 冲幅度较低，但幅度恒定，不随电网波动而变化，对灯和镇流器十分有利， 而且能克服小功率金卤灯的自熄现象。并联工作方式的优点是触发器制造简 单，成本较低，使用方便且受灯功率影响不大，通用性强；其缺点则是受镇 流器和导线的分布电容影响较大，远距离触发较困难( 特殊设计的触发器除 外) 。 交 图2 4 并联型电子触发器结构示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 交 图2 5 串联型电子触发器结构示意图 串联型接线方式如图2 5 所示【1 2 】。触发器与灯串联，灯点火前触发器产 生的高压脉冲只作用于灯上，不受镇流器分布电容的影响。串联型触发器的 脉冲幅度大多为恒定。目前市场上广泛使用的国产f u d a 牌f c d e 、f c d g 系列、a d 牌c d 4 0 0 以及进口的v s 、e r c 等都属于串联型。其优点是：工 作方式有利于灯启动，并可抑制灯点火初期可能发生的自熄现象。脉冲高压 对镇流器几乎无任何影响，有利于延长镇流器的寿命：缺点则是电路比较复 杂，成本较高，需与灯功率匹配，大功率配用的触发器价格更贵。 交 电子镇流器 ，厂 c= 一习 输入 1 e = 图2 6 串联双向式触发电路 图2 - 6 电路以及派生的类似电路是目前使用最多的三端串联双向触发电 路，其原理如下：在电源电压正半周时，c 1 通过电子镇流器和r 组成的回 路充电，c 1 上的电压上正下负，当c 1 上的电压达到双向自触发晶闸管s 的 阀门电压时，s 导通，c l 上的电能通过厶、s 、厶组成的回路放电。这一瞬 时放电电流流过三：时产生的磁通使高压线圈厶上感应到高压脉冲，厶上的 高压脉冲通过c l 和g 组成的串联旁路回路加到灯的两端。在电源电压负半 周时，c 1 通过电子镇流器和c ，组成的回路充电，c l 上的电压下正上负，其 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 工作原理同上，只是相位相差1 8 0 0 。l 的存在是为了防止s 导通瞬间浪涌 电流过大而损坏晶闸管。当灯启动后，施加在触发器上的电压小于双向自触 发晶闸管s 的触发电压，触发器处于休眠状态。 2 5 变功率控制 普通金属卤化物灯，由于其自身的物理性质，在高压点火后瞬间其光通 量只能达到稳态的2 0 或更少。此后灯管电压逐渐上升，光通量逐步增大， 并最终达到最大光输出。这一过程通常要持续l 至2 分钟不等，期间电源输 入的能量大部分以热能的形式散发掉。为了防止灯管温度上升过快而导致电 极溅射加剧，在这一过程中应当采用变功率控制技术，即逐步提高负载的功 率等级。 可以采用数字或模拟方式来实现这一控制过程【2 3 】。对于数字方式而言， 通常的做法是，控制电路额外增加一级检测电路，用以检测灯的点火动作。 当检测到灯顺利点火并进入到辉光放电后，该控制电路修改灯功率比较器的 参考值，采用逐级递增的方式，逐步提高参考值的大小，直至灯最终进入稳 定的工作状态。对于模拟方式而言，要实现这种功率递增过程显然会比较复 杂。目前简单且有效的做法是在这一阶段采用负载恒流控制，即控制灯管电 流恒定。因为随着灯管电压的上升，灯等效阻抗也会上升。而灯电流恒定， 所以灯功率也将随之上市。 2 6 恒功率控制 电子镇流器必须具备恒功率控制功能。由于高强度气体放电灯的负阻特 性 1 引，灯的工作特性也会受到其它因素( 比如灯工作时间、工作温度) 的 影响，灯正常工作时经常会出现功率抖动的情况。此外高强度气体放电灯也 存在一致性问题，即使是同一家公司生产的产品，相同额定功率的灯其额定 工作电压也会有较大的偏差。灯正常工作时，功率的抖动及非额定功率状况 下运行都会极大地影响灯的使用寿命【4 5 1 。随着时间的推移，灯管老化，其 额定工作电压还会上升，因此电子镇流器必需保证灯工作于恒功率状态。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 要实现恒功率控制，最直接的方法就是不断的检测灯电流和灯电压，通 过模拟或者数字方式计算出灯功率值，将得到的值与参考值做比较用以产生 控制信号并最终控制负载功率恒定。 2 6 1 数字控制技术 日一国 气冲( 矿 工作区闯 日一 日q 。唧 吒唧( 矿) 图2 7 数字控制技术在h i d 灯中的典型应用 图2 7 展示了一种应用于h i d 灯电子镇流器的数字控制技术 3 6 1 。终端 微处理器可以提供乘法计算功能，因此它具有很好的控制精度。同时微处理 器还可以提供各种保护功能，如短路、断路、热启动。目前廉价的微控制器 还缺乏足够高的处理能力和速度，导致系统的带宽很窄，从而影响整个闭环 系统的稳定性，因此很难对典型的开关电源进行全面的数字闭环控制【1 6 】； 虽然目前d s p 技术已经广泛应用于u p s 系统、马达控制系统、功率因数校 毒团t 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 正离线电源、隔离的d c d c 变换器、微处理器电源，但闭环控制需要性能 更高的控制器，成本较高。目前，开关电源的数字控制更多的只是作为启动、 监控和保护等辅助性功能，在真正的闭环控制中，数字控制应用的很少。数 字技术可以通过采用电压电流的乘积实现恒功率控制，能真实反应功率增 量，不受灯管等效阻抗变化的影响。但数字环路往往是基于d s p 实现的， 受d s p 处理速度的影响，其响应性能不如模拟环路好( 尤其在启动至稳定 阶段) 。 2 6 2 模拟控制技术【”】 当采用模拟技术时，如何实现灯功率的精确控制仍然是一个比较困难的 问题。采用模拟技术实现恒功率控制的经典方法是抛物线近似恒功率控制 法，控制精度在士5 左右 1 9 1 。图2 8 是模拟控制技术在h i d 灯中的控制原 理示意图。 图2 8 模拟控制技术在h i d 灯中的控制原理 图2 - 9 电路是目前应用比较广泛的一种恒功率控制实现方式，t i 公司生 产的u c c 2 3 0 5h i d 灯专用控制芯片用的就是这种抛物线近似恒功率控制法 删。图2 - 9 中k ，l 是输出电流反馈信号，k 。u o 是输出电压反馈信号，k ，和 k 。是输出电流和输出电压反馈信号的采样系数。 p 铆 - r i p 叩 ，l肠 r i 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 心c 2 图2 9 模拟控制技术在h i d 灯中的典型应用电路 工作区间 p o ( 形) u o ( y ) 图2 1 0h i d 灯功率曲线 根据运算放大器两个输入端的虚地特性，可以得出： u b = u c = u 呵 w o = k 。u o 厶= 1 2 + 因此，流过r 。、尺2 的电流，。、l 分别为： ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 厶：u o - i ( - x j o ) ( 2 4 ) 1 兄 、 l = 警= 半 ( 2 - 5 ) 见尼 、7 代入式( 2 2 ) 、式( 2 3 ) 得： u a o ， t _ _ r 土x ，u o ( 抄号产 ( 2 - 6 ) 即： 易= ( 一k 。虬) 万r 1 一k 。虬】i 1 ( 2 7 ) 输出功率可以表示为： 眈乇= 警 惫- k o k ( 1 + 乏) 】 ( 2 - 8 ) 取k = o 5 ，k = o 0 0 5 ，= 5 v ，令去= d ，则有： = 急 5 口_ o 0 0 5 u o ( 1 州】_ 1 0 口u o - o 0 1 ( 1 + 口) t 0 2 ( 2 - 9 ) 这是一条以p o ( w ) 为纵轴，乩( y ) 为横轴的抛物线，如图2 1 0 所示。在 抛物线顶点附件有： 盟 (2一3 tt 0 、10)duo 即输出功率近似恒定。对于金卤灯而言，其额定工作电压在8 5 v 附近， 依据灯功率的不同而有所差异1 3 】。因此，合理设置参考值口，就可以使灯正 常工作时位于抛物线顶点附近。可以认为，输出电压在该区域内变化时，输 出功率近似为恒定。该技术有很好的瞬态响应性能，但是它要求灯管等效阻 抗恒定，而实际上，灯管在工作一段时间后会逐渐老化，极间距离增大而引 起等效阻抗增大，若采用该种控制方法，镇流器输出功率将发生偏差。另外， 灯启动讨程的榨制托非常有杂需喜男夕 、设计榨制由路【4 7 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 c 2 = ： 图2 11 电子镇流器一种典型的数模混合控制框图 2 6 3 数模结合控制技术 图2 1 l 所示为典型的电子镇流器数模混合控制框图【2 4 1 。微控制器可采 用普通的单片机如m i r c o c h i p 公司的p i c l 6 c 7 1 2 或者p h i l i p s 公司的 p 8 9 l p c 9 1 5 。此类单片机集成了一个振荡器、适当数量的计时器、监控计时 器的复位器，模拟外设如a d 、d a 、比较器和通信模块。图中的p w m 控 制器可以采用普通的控制芯片如u c 3 8 4 3 、u c 3 8 0 7 等等。 在图2 1 1 中，灯电压信号圪经过a d 转换送入微控制器，微控制器依 据功率要求，计算产生灯电流的基准信号，。，。该基准信号以p w m 形式输 出，经过滤波后得到平均值耐。l 。，从误差放大器的同相端输入，与灯电 流反馈信号五进行比较。误差放大器的输出送入p w m 控制器中，作为基准 信号与开关管峰值电流检测信号，。作比较，用于产生p w m 控制信号。 图2 1 1 所示的数模混合控制系统充分利用了数字控制器控制功能强以 及p w m 控制器速度快的特点。 2 7 小结 本章详细介绍了普通金属卤化物灯的基本电气特性。h i d 灯要实现正常 工作，其配套电子镇流器必须具备以下几项基本功能：空载输出电压控制； 高压点火控制；变功率控制；稳态恒功率控制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 针对高压点火技术，本章详细介绍了目前广泛应用的两种点火方式：脉 冲变压器式点火方式；电子触发器式点火方式。 针对恒功率控制技术，本章详细分析了三种基本控制方式：数字控制方 式；模拟控制方式；数模结合控制方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 第3 章新型恒功率控制技术 本章针对两级式高压气体放电灯( h i d ) 电子镇流器，提出一种新型的 恒功率控制方法。该两级式电子镇流器包括前级d c d c 反激变换器，后级 全桥变换器，其结构如图3 1 所示。为了避免声谐振，灯管均工作于低频方 波模式f l4 1 。d c d c 反激变换器的主要作用是实现灯的功率控制，全桥变换 器的作用是驱动灯管，给灯提供低频方波电流。本章提出的恒功率控制方法 可以很容易的应用于普通电子镇流器中。 d c d ci n v e t e r ( 反激) ( 全桥) 图3 1 两级式电子镇流器结构框图 3 1 单端反激式变换器( f l y b a c k ) 工作原理分析 l 1 n 卜17l 卜_ 一 il 2 图3 2 单端反激式变换器电路 反激式变换器具有成本低、体积小、易于实现多路输出等优点，目前被 广泛应用于中、小功率( 1 0 0 w ) 开关电源，其电路结构如图3 2 所示1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 当开关管导通时，反激变换器的变压器储存能量，负载电流由输出滤波电容 提供；开关管断开时，变压器将储存的能量传递给负载和输出滤波电容，以 补偿电容单独提供负载电流时消耗的能量。因此其变压器起着电感与变压的 双重作用。根据变压器原边电流连续与否，可以将反激变换器分成电流连续、 电流临界连续和电流断续三种工作模式，对应各种工作模式下的电流波形如 图3 3 所示。图中，分别为变压器原副边电流，d 为开关管s 的占空 比，f 为变换器开关频率，t 为开关周期，q 为开关管驱动脉冲。 q i i 门 l t r i 。 l t l l i l |? i t r l。l i t l lil i |， i t 。1i。、 i t i d t 。 。t一 ( a ) 电流连续模式( b ) 电流断续模式( c ) 电流临界连续模式 图3 3 反激变换器电流工作模式 3 1 1 电流断续模式 电流断续模式时，变压器副边电流，：在开关管关断期间下降到零，电 流波形如图3 - 3 ( b ) 所示。在一个开关周期内，变压器原边电流，。的表达式 如下： 乞l ：孕， f o ，d t ( 3 - 1 ) 工1 t l = 0，t 【d t ，t 】( 3 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 在一个周期中，变压器原边电流峰值为： i：u_d_一t(3-3)peak一f 则在一个开关周期内电源输入的能量形为： t o t l w - - 磁沪l ，l u 拥d t = 二1d t u 加i 职础 ( 3 4 ) 输入功率为： e l 1 - 半= 挈击= 华 p 5 ， ，)，n 7 叶， 。， 由上式可以看出，当工作频率固定时，工作于断续模式的反激变换器其 输入功率完全由变压器原边峰值电流决定。根据这一公式，若要求向负载提 供兄，的输出功率，则需要控制峰值电流为： ip e 姣= i 呵= ( 3 6 ) 若实际电路的工作效率为7 7 ，则电源需要提供的输入功率为： 兄：生( 3 - 7 ) 7 7 此时要求： i 础= i r e l = 3 1 2 电流连续模式 ( 3 - 8 ) 电流连续工作模式时，变压器原副边电流在整个开关周期内都不为零， 电流波形如图3 - 3 ( a ) 所示。在一个开关周期内，变压器原边电压叽。的表达 式如下： 吼，= ，t o ，d t ( 3 - 9 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 巩。= 一等虬= 一九虬，f d t ，明 ( 3 1 0 ) 其中，m ，2 为变压器原虿9 边匝数，z 为变压器原副边匝比。 在理想条件下，根据磁通平衡原则，可得： u d _ 志 ( 3 1 1 ) 上式表明，输出电压的大小与负载无关。 设反激变换器输出功率为，变换器效率为，7 ，则输入电流平均值，为： ，= 争 ( 3 1 2 ) ，7 、7 输入电流峰值为： p e a k - u 跏尸石o + 等。 ( 3 - 1 3 ) 由上式可以看出，当开关频率固定时，工作于连续模式的反激变换器的 输出功率由输入电压，效率，开关占空比，电感峰值电流共同决定。 3 1 3 电流临界连续模式 电流临界连续工作模式时，变压器副边电流在开关关断时间内刚好下降 到零，电流波形如图3 3 ( c ) 所示。在这种模式下，其输出电压同时满足连续 模式和断续模式下的关系式，即： 虬= 志 ( 3 - 1 4 ) 肚盎n u 仔柳 u 伽+。 r 7 其临界电感k 为： 铲警22 = 筹c 矗n u 归竺2 ( 矗u , nn u 归p 峋 。 2 只2 、+。7 、 + 。 r 一7 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 由式( 3 1 6 ) 可以看出，反激变换器临界电感。与输入电压、负载都有 关系。正常工作时，当电路状态发生改变，如输入电压的扰动，负载的跳变 等，都会引起临界电感值的改变。而当变压器原边电感值等于临界电感厶 时，变换器将工作于临界连续模式；当变压器原边电感值小于i 临界电感厶 时，变换器进入断续模式；当变压器原边电感值大于i 艋界电感厶时，变换 器进入连续续模式。当反激变换器工作于恒压模式时，由上式可以看出，厶 是关于输入电压u 负载r 的二元函数。而当其工作于恒功率模式时，厶 则是关于输入电压u 变压器原边反压n u o 的二元函数。因此，如果要求 反激变换器可靠地工作于断续模式，必须精心设计变压器的原边电感量。 3 2 新型恒功率控制策略 针对h i d 灯电子镇流器恒功率控制的要求，在综合分析反激变换器三 种工作模式后，本文提出一种基于断续模式的恒功率控制策略，其电路结构 如图3 4 所示。该新型恒功率控制策略具有电路结构简单，成本低，恒功率 控制精度高，抗输入电压扰动、负载扰动能力强等优点。 直流电源 图3 4 新型恒功率控制策略结构示意图 根据上一节的推导，在断续模式下有： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 最= 半= 半击= 华 仔一l n 1 ， rrn 下 ， 、一， 即输入功率只是变换器工作频率z ，变压器原边电感量厶，变压器原边 电流峰值，p 。的函数。当厶，z 恒定，输入功率只是，p 阳七的一元函数。因 此，只要控制，。就可以控制输入功率己。 在图3 4 中，反激变换器工作在电流断续模式下。控制方案中设置电流 检测环节、比较环节、开关管脉冲驱动环节。电流检测采用阻抗检测法，即 采集电阻r 上的电压。变换器的工作频率f 固定，即开关管驱动脉冲周期丁 固定。开关管驱动脉冲在每个周期开始的时刻驱动开关管导通，此后变压器 原边电流，：。上升，电源通过变压器输入能量。在这一阶段，变压器的作用 是存储能量。当，：，上升至基准值，。，时，电流比较器输出控制信号将开关管 关断。此后电源断开，不再输入能量。同时变压器向负载释放能量，副边电 流，下降。在一个开关周期结束之前，副边电流值下降到零，即存储在变 压器上的能量释放完毕。下一个开关周期来临之后，变换器重复上述过程。 3 3 伪断续模式 当采用该种新型恒功率控制策略时，在特定条件下，反激变换器会进入 一种新的电流工作模式：伪断续模式。此时，其变压器原副边电流波形如图 3 5 所示。图中，叫，：分别表示变压器原副边电流，t 表示开关周期，q 表 示开关管的驱动脉冲。 在一个开关周期开始时刻，开关管导通，变压器原边电流，上升。当 i l 。= ，朋t ，开关管关断。之后变压器副边电流t ：开