（电力电子与电力传动专业论文）汽车前照氙灯电子镇流器研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t t h et h e s i sf o c u so no s r a m3 5 wx e n o nl a m p ，h i g hp r e s s u r ed i s c h a r g el a m p t h ek e yt e c h n o l o g yo fi t se l e c t r o n i cb a l l a s ti sp r e s e n t e db a s e do nt h ei n t r o d u c f i o n o fl a m pc h a r a c t e r i s t i c f l y b a c kc o n v e r t e ri sa d o p t e da sp o w e rt o p o l o g y , a n di t sl e a k a g e - i n d u c t o r e n e r g ya b s o r b i n gc i r c u i t i s a n a l y z e da n dd e s i g n e d t op r e v e n tl a m pf r o m e x t i n g u i s h i n gd u r i n ge a c hb r i d g ec o m m u t a t i o n ，t h eo u t p u tc a p a c i t a n c ea n dt h e s e c o n d a r y i n d u c t a n c eo ft h e i g n i t o rt r a n s f o r m e ri sa n a l y z e d a p p r o x i m a t i o n e q u i v a l e n tm o d e li su s e dt oa n a l y z et h ei n f l u e n c eo fi g n i t o rc i r c u i tw h i c hi s c o m p o s e do fav o l t a g ed o u b l e ra n dat r a n s f o r m e rb o o s t e r t h ec u r r e n ta u x i l i a r y c i r c u i ti sa n a l y z e dt op r o l o n gt h el a m p sf i f e t h r o u g hac o m p a r a t i v es t u d yo nt h e c o n t r o lm e t h o d so ft h ex e n o ne l e c t r o n i c b a l l a s t ，m i c r o c o n t r o l l e r - b a s e dd i g i t a l - a n a l o gm i x e dm e t h o dt h a tc o n s i s t so f p i c l 6 c 7 8 1a n du b a 2 0 3 0 ti s c h o o s e r , w h i c hc a ns u c c e s s f u l l yr e a l i z et h e r e q u i r e dc o m p l e xc o n t r o lf u n c t i o n s an 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 yi s a d o p t e d t h e nt h es o f t w a r ef l o wc h a r t so fc o n s t a n tp o w e rc o n t r o l ，s t a r t u p p r o c e d u r ec o n t r o la n dp r o t e c t i o nc o n t r o la r ed e p i c t e di nd e t a i l a tt h ee n do ft h et h e s i s ，a t w o s t a g ee l e c t r o n i cb a l l a s tf o r t h e3 5 w a u t o m o t i v ex e n o nl a m po p e r a t i n gi nal o wf r e q u e n c y s q u a r ew a v e f o r mi sd e s i g n e d a n dt h ed e s i g nm e t h o da n ds i m u l a t i o nr e s u l to fm a i nc i r c u i ta r eg i v e ni nt h e t h e s i s k e y w o r d ：h i dl a m p ；x e n o nl a m p ；e l e c t r o n i cb a l l a s t ；c o n s t a n tp o w e rc o n t r o l 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 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名： 日期： 曰孑占互 纭苗 挈巍带影日期：口彦fz 7 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 ) 运用近似等效模型分析脉冲变压器式启动电路中电容和变换器原边电 感对启动脉冲高度、宽度、振荡次数、周期的影响，设计出简单有效的由2 倍压 电路和升压变压器组成的启动电路。 ( 2 ) 采用数模混合控制单片机p i c l 6 c 7 8 1 和全桥驱动芯片u b a 2 0 3 0 t 进行 数模混合控制，克服了纯模拟控制复杂、灵活性差，以及纯数字控制受带宽和成 本影响的缺点，其廉价、方便、响应速度快等特点，非常适用于汽车前照氙灯电 子镇流器场合。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景 根据国内能源紧缺的现状，国家大力提倡节约能源，“十一五 期间， 国家发改委陆续出台了“节能大纲”和十大节能工程，均涉及照明节能。因 此，无论是光源、灯具还是电器附件，高效节能都将是发展趋势。汽车工业 的发展与照明工业也存在密切关系，近年来，国内汽车工业发展迅速，每辆 汽车平均要用几十只光源，因此提高汽车照明用电效率也刻不容缓。 1 1 1 汽车前照灯现状及发展趋势 汽车前照灯中的光源经历了从白炽灯到卤钨灯的发展，随着汽车对低能 耗、安全、舒适要求的进一步提高，比卤钨灯光效更高、寿命更长、显色性 能更佳的高强度气体放电灯( h i g hi n t e n s i t yd i s c h a r g el a m p ，h i d 灯) 应运 而生。氤灯是一种h i d 灯，目前氙灯的主要应用在汽车( 尤其是现代轿车) 照明和高端摄影设备的闪光照明。氙灯亮度大，发出的色调与太阳光比较接 近，消耗功率低，可靠性高，不受车上电压波动影响，大幅度提高了夜间行 车的可视度。使用氙灯不但减少了电能消耗，还相应提高了车辆的性能，这 对于车辆以及绿色照明而言具有很重要的意义。 正是以上原因，促成了h i d 汽车前照灯的开发。1 9 8 4 年时，p h i l i p s 公 司首先提出将h i d 光源用于汽车前照灯的设想，后来各公司便先后开始进 行这方面的研究和开发。1 9 8 8 年，包括p h i l i p s 、o s r a m 、b o s c h 和h e l l a 在 内的欧洲七个大的光源、车灯和汽车厂开展了联合研发项目e u r e k a2 7 3 ， 进行汽车放电灯照明系统v e d i l i s ( v e h i c l ed i s c h a r g el i g h t i n gs y s t e m ) 的 研发工作；1 9 9 0 年，h i d 汽车前照灯进行了3 个月1 5 万公里的实车试验； 1 9 9 6 年，正式批准了两个e c e 法规，即e c en o 9 8 气体放电型前照灯和 e c en o 9 9 气体放电型光源。 近年来，在新款高档轿车中已经开始使用电子镇流器驱动的h i d 灯作 为汽车头灯的光源。p h i l i p s 公司早在1 9 9 1 年就率先开始了氙灯用作汽车前 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 照灯的实用化进程。在1 9 9 2 年和1 9 9 3 年，p h i h p s 公司分别与宝马公司和奔 驰公司合作，率先为汽车配备氙灯作为前照灯。p h i u p s 德国亚深工厂是全球 最大的车用氙灯生产基地，迄今已向市场提供了1 0 0 0 万只氙灯。氙灯从汽 车近光前照灯、远光前照灯发展到双氙灯前照灯，在技术上不断地创新。目 前世界上著名的汽车品牌，如宝马、奔驰、福特、欧宝、雷诺等多款新车型 都配备了先进的双氙灯前照灯。2 0 0 4 年6 月，p h i f i p s 公司又率先推出了绿 色无汞氙气前照灯。目前全球氙灯拥有量已达到5 0 亿只之多，氙灯取代卤 素灯式大势所趋，将成为2 1 世纪新潮流。h i d 光源的汽车前照灯被誉为2 1 世纪革命性汽车照明产品i h 7 1 。 全球具有实力的汽车氙灯制造商屈指可数，在技术上以德国h e l l a 、日 本松下和韩国k d g 为代表，相关技术专利被这几大知名公司垄断。而国产 氙灯厂商以中国广东为代表( 其实是组装加工而成) ，价格低、品质差。目 前市场上众多的国产氙灯其实都是不同的经销商根据需要贴牌而成，价格在 1 0 0 0 元左右。日本p i a a 的双氙气灯售价要1 万人民币以上，p h i l i p s 单灯 售价要5 0 0 0 人民币以上，价格如此之高，导致一些中低档车主望尘莫及。 表1 1 列出了汽车前照灯所用的各类光源的发展过程。 表1 - 1 汽车前照灯中各类光源的发展过程 光源类别 功率( w ) 光通量 寿命( h ) 年代 ( h ) 5 51 5 5 02 2 51 9 6 2 5 51 4 5 02 2 51 9 6 4 6 0 5 51 6 5 0 1 0 0 0 1 5 0 8 0 0 1 9 6 9 卤钨光源 5 81 5 0 09 3 01 9 9 2 6 5 4 51 2 0 0 7 0 01 5 0 8 0 0 1 9 9 2 6 51 6 0 01 5 0 1 9 9 2 5 51 0 0 08 0 0 1 9 9 2 气体放电灯 3 53 2 0 03 0 0 0 1 9 9 6 带红外膜卤 素灯 6 q | 5 s 2 0 0 0 1 3 0 0 1 5 0 8 0 01 9 9 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 1 2 电子镇流器国内外研究现状 与荧光灯管相同，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。电感镇流器存在绕组线径粗、体积较大、材料消耗多，自身消 耗的功率较大( 达到灯功率的1 5 或更高) 、温升高、功率因数低( o 3 0 4 ) 等固有缺点，远不符合绿色照明的要求。以节能、轻便的电子镇流器 代替传统的电感镇流器已经成为绿色照明工程中一项紧迫任务。电子镇流器 一般使气体放电灯工作于高频( 几k h z 几百k h z ) ，从而用较小的电感就 能实现系统稳定工作，或是使用控制技术，使灯电流或者灯功率处于恒定状 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【7 ，1 。 从p h i l i p s 于7 0 年代末开发出最早的荧光灯电子镇流器开始，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 ，他们 经过多年的积累，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有 很多研究成果。一部分i c 设计公司借助于电子镇流器控制i c 的设计，对电 子镇流器也开展了一些研究。美国m 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。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。 用作汽车前照灯的氙灯电子镇流器，其电路结构与汽车金卤灯电子镇流 器基本相同。但氙灯的触发启动电压达2 3 k v ，为金卤灯的4 6 倍，因此氙 灯触发器的设计有一定难度。目前世界上主要的车灯制造厂商，如p h i l i p s 、 o s r a m 等已完成汽车氙灯电子镇流器的开发。而国内除学术单位在此领域有 所研究之外，产业界投入者可谓寥寥无几。除了一些商业原因外，在技术方 面，则因汽车氙灯电子镇流器的应用场合为高温恶劣环境，技术门槛较高。 同时，也因许多关键性技术早已被开发出来，并已申请相关专利。这些因素 造成进入此领域的困难相对增加。目前国内所需氙灯电子镇流器基本为国外 进口，因此国内汽车厂商需以较长时间及昂贵的价格取得氙灯电子镇流器。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 我国直到9 0 年代初才真正开始对电子镇流器的研究。9 0 年代后期，随 着绿色照明工程的实施，国内少数电源厂商如浙江阳光和深圳中电等在荧光 灯的电子镇流器方面开展了研究，但与国外几大照明公司还有相当大的差 距。浙江大学、哈尔滨工业大学在高压钠灯镇流器研究方面取得了一些成果， 台湾大学、成功大学、中山大学等一些学者主要研究荧光灯电子镇流器。从 总体上看，目前国内研制的电子镇流器取得了很大进展，但对气体放电灯本 身特性的认识以及如何设计高性能的电子镇流器的研究十分有刚8 以3 1 。 1 2 论文研究意义和主要工作 在理论分析的基础上，研究性能优越的汽车前照氙灯电子镇流器有很重 要的实际意义。本论文拟设计一种数模混合恒功率控制的两级低频方波汽车 氙灯电子镇流器，其具有元件少，效率高，控制精确的特点。 本论文的主要工作如下： 1 第1 章主要介绍汽车前照灯及其电子镇流器的现状和发展趋势； 2 第2 章阐述了汽车氤灯的发光原理、特性以及避免声谐振的方法； 在介绍汽车氙灯工作模式及其对电子镇流器的一些基本要求的基础上，总结 出其电子镇流器的基本结构及其设计难点； 3 第3 章详细研究了汽车氙灯电子镇流器主电路，通过建立电路等效 模型对影响主电路性能的关键参数的选择、启动电路的分析和设计以及电流 续接回路对灯启动的重要作用； 4 第4 章对汽车氙灯启动和稳态过程进行了研究，在此基础上比较了 模拟、数字、数模结合三种控制方法，采用数模混合控制单片机p i c l 6 c 7 8 1 和全桥驱动芯片u b a 2 0 3 0 t 进行数模混合控制，并对其实现方法和控制特 性进行了详细的分析。采用一种新型的恒功率控制的算法，给出了恒功率、 启动和保护控制的流程图； 5 第5 章对本文所研究的数模混合恒功率控制的两级低频方波汽车氙 灯电子镇流器进行了系统设计、仿真研究，给出了主电路的详细设计过程， 启动、过渡和稳态特性的仿真分析； 6 最后，总结了本文的工作，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 章汽车氙灯及其镇流器原理与特性 电子镇流器作为开关电源的一种，由于其负载的特殊性而与其它开关电 源相区别。因此，电子镇流器的基本功能要通过对灯基本特性的研究得到。 由于气体放电灯的种类繁多，使用的电子镇流器也各有差别。作为汽车氙灯 电子镇流器，其性能要求必然要根据汽车氙灯的特性决定。本章在介绍氙灯 发光原理与特性的基础上，分析汽车氙灯的工作模式及其对电子镇流器的基 本要求，然后根据这些要求总结出其电子镇流器的基本结构及其设计难点。 2 1 氙灯的发光原理及特性 2 1 1 氙灯的发光原理 氙气是一种惰性气体，它在室温下是绝缘气体，在高压时电离成正负离 子而具有导电性。 汽车氙灯在灯管内除了填充8 0 0 - - 一9 0 0 k p a 的氙气外，还加入了少量金属 卤化物，用以提升发光效率，通过调节所添加的金属卤化物的种类与比例来 决定光源的光色。所以，汽车氙灯是氙气灯与金属卤化物灯( m e t a l h a l i d e l a m p s ) 技术的结合。如图2 - 1 所示为气体放电灯灯管结构示意图。图2 2 为o s r a md 2 s3 5 w 汽车前照氙灯实物图。灯管内的小玻璃球是石英玻璃电 弧管，其内部充有氙气、汞和金属卤化物( 绿色无汞氙灯不含汞) 。 填充惰性气体 外壳 图2 1 气体放电灯结构示意图图2 - 2 氙灯0 s r a md 2 s 氙灯的发光原理是：当灯泡阴阳极之间的电场加至足够大时，灯内的物 质被激发为等离子状态，造成原子放电，从而有电磁波辐射产生光源。氤灯 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 采用个特制的镇流器，利用汽车1 2 v 电池产生2 3 k v 以上的触发电压使灯 启动。启动后0 8 秒的亮度是额定亮度的2 0 ，并使灯在4 秒以内达到额定 亮度的8 0 以上。在灯稳定后镇流器向灯提供约8 5 v 的供电电压，保持灯工 作在恒定功率状态【3 卅。 h i d 灯的放电过程可以分为三个阶段【8 , 1 4 ： 1 在外电场的作用下，自由电子被加速； 2 被加速的自由电子与灯管内气体原子相互碰撞，当自由电子的动能 大于气体原子中电子的最低激发能量时，电子吸收能量而被激发到不稳定的 激发状态： 3 受激发的电子获得能量激发到更高的能阶，随后返回基态并将所吸 收的能量以辐射光的形式释放出来。 同时，若电子碰撞气体原子的能量足够大，将使气体原子最外层轨道的 电子脱离原子核引力范围而产生电离。电离所产生的电子又在电场中加速， 并再次碰撞其他气体原子，造成再次电离，使得自由电子成倍增加，此过程 称为“汤生雪崩”效应( t h o m s o n a v a l a n c h ee f f e c t ) 。所以只要外加电场持续存 在，上述放电过程就不断重复，灯不断地发光。 2 1 2 氙灯的特性 表2 - 1 为传统卤素灯与汽车氙灯性能的比较，由该表可知汽车氙灯功率 以3 5 w 为主，其色温可以达到4 3 0 0 k 以上，接近正午日光的色温，发光效 率更可高达9 0 i 脚删。汽车氙灯发光强度是卤素灯的3 倍，发光效率可达卤 素灯的4 巧倍，寿命为卤素灯的3 倍。图2 3 为卤素灯与汽车氙灯光照效果 的比较。 表2 - 1 传统卤素灯与汽车氙灯性能的比较 光源种类卤素灯氙灯 发光原理灯丝加热弧光放电 色温( k ) 3 1 0 0 4 3 0 0 以上 光通量( l m ) 7 0 0 1 0 0 03 2 0 0 消耗功率( w ) 5 53 5 发光效率( l m w ) 1 0 2 09 0 寿命( h o u r ) 3 2 0 1 0 0 0约3 0 0 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ( a ) 卤素灯( b ) 氙灯 图2 3 卤素灯与汽车氙灯光照效果的比较 由表2 1 和图2 3 可知汽车氙灯具有以下优越性能： 1 亮度高：一般的5 5 w 卤素灯只能产生1 0 0 0 l m 的光，而3 5 w 氙灯能 产生3 2 0 0 l m 的强光，亮度提升3 0 0 ，拥有超长、超广角、高清晰的视野， 带来前所未有的驾车舒适感，大大减少行车事故率。 2 寿命长：氙灯无钨丝存在，在苛刻的路面条件下，不会因为灯丝的抗 振性差而产生射光偏离或寿命突然终结的问题，因此寿命较长，约为3 0 0 0 小时，大幅度超越汽车夜间行驶的总时数。而卤素灯只有5 0 0 小时。 3 节能：氙灯只有3 5 w ，发出的是5 5 w 卤素灯3 5 倍以上的光，大大 减轻了汽车电力系统的负荷。 4 色温性好：氙灯的亮度更高，光色更白，照射视野更远更宽，可减轻 驾驶员的疲劳，保证行车安全。其色温有4 3 0 0 k - 1 2 0 0 0 k 等，6 0 0 0 k 接近日 光，而卤素灯只有3 0 0 0 k ，光色暗淡发红。 5 显色性好：图2 4 为各种光源的光谱分布情形，由图可知氙灯的光谱 是所有人造光源中最像太阳光的，它有很强的连续光谱，而且光谱的分布不 会因灯管电流或功率的改变而产生偏移，所以氙灯可谓最佳的人造光源。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图2 4 各种光源光谱 2 2 声谐振及其解决办法 声谐振是高强度气体放电灯高频下工作所遇到的特殊问题，它使灯电弧 不稳定。其频段非常广，1 0 k h z 一1 m h z 都有分布【1 5 】，电子镇流器的工作频率 又正好在声谐振的频段范围内。声谐振严重影响了h i d 灯的使用效果，因此， 解决声谐振问题已成为电子镇流器的研究热点之一。 2 2 1 声谐振产生的原因和危害 简单而言，输入灯管的能量周期性的变化造成灯管内的气体分子产生周 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 期性的疏密，若气体分子撞击灯管的波形和反射回来的灯管波形同相位，就 会造成声谐振。 发生声谐振时，放电电弧不稳定，光输出闪烁、滚动，影响照明效果。 其次，在某些声谐振频率下，放电电弧由不稳定变成稳定但有一定规则的变 形电弧，使靠近电弧的管壁局部过热，引起放电管炸裂。最后，放电空间的 气体形成稳定的压力波，使气体原子分布不均匀，导致管压升高，管电流减 小，甚至导致熄弧，或者使电子镇流器损坏【1 6 1 7 1 。 2 2 2 声谐振的解决方法 目前提出的解决声谐振的各种方法均基于如下共识：存在一些高频频率 工作点，即h i d 灯的声谐振特征频率，在这些工作点上。当输入的能量大于 某一阈值时，就会产生声谐振现象。要消除声谐振，必须使引发声诣振的两 个条件不能同时满足，即： 1 使镇流器提供给灯能量的频率落在声谐振频率带范围以外； 2 使镇流器在声谐振频率点上提供给灯的能量小于产生声谐振的能量 阀值。 基于此，人们提出了许多消除声谐振的方法，如选频法、直流点灯法、 频率调制法、超高频点灯法、低频方波点灯法和声谐振反馈消除法等【1 8 , 1 9 l 。 1 选频法 通过声学和热力学的方法，根据灯管和内部气体的参数求出声谐振频率 点。当镇流器工作在各频率点之间的非谐振窗口时可以避免声谐振。图2 5 所示为两种不同灯的声谐振窗口分布。 频率 递增 频率 递减 i i 声谐振区域i i 声谐振区域 u _ i u u 频率 递增 频率 递减 l 3 5 k4 0 k2 2 k2 7 k3 2 k ( a ) 金属卤化物灯( b ) 高压钠灯 图2 - 5 两种不同灯的声谐振频率分部图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 然而，灯的声谐振频率在频率递增和频率递减时不完全相同；对于不同 型号、功率、厂家的灯，非谐振窗口都不同；即使同一个灯，在长期的使用 过程中，其声谐振窗口也会发生变化。因此这种方法复杂且不可靠，在实际 应用中并不适用。 2 直流点灯法 声谐振是由于输入高频能量的周期性变化引起的，如果给灯提供的能量 为直流，显然没有高频能量，不会产生声谐振现象。但是直流会带来灯电极 极化腐蚀的问题，因此这种方法通常只适用于一些特殊的h i d 灯。 3 频率调制法 频率调制法是将灯的输入能量以一个频率点为中心，在一个较宽的频谱 上展开，降低每一个频率点上的能量分量，使之低于声谐振能量阀值。其缺 点是只能减少声谐振频率点上的能量，降低声谐振的概率，但不能彻底消除 声谐振，并且引进了新的能量成分，改变了原有的能量频谱，甚至有可能调 制前没有而调制后有声谐振。 4 反馈消除法 当灯发生声谐振时，灯电流会发生频率为5 2 0 h z 的低频畸变，当检测 到有低频电流波动时就可认为发生了声谐振，这时通过控制来改变逆变器的 工作频率，直到不再发生声谐振为止。只要频率变化的步长足够小，总能够 找到一个非谐振工作频率点，消除声谐振。 5 超高频点灯法 超高频点灯是使灯的工作频率超过声谐振的最高频率，至少在几百k h z 以上，过高的开关频率将增加开关器件和磁性元件的损耗。因此必须仔细地 选择拓扑结构，以得到较高的效率。 6 低频方波点灯法 低频方波点灯法是通过加入一个低频转换电路将直流转化为交流，避免 了电极极化腐蚀，因为方波每个周期的能量固定，且工作于几百h z 的无声 谐振区域，所以不会发生声谐振现象。图2 6 为一典型的三级低频方波电路 原理图，由功率因数校正( p f c ) 电路、d c d c 变换器和低频逆变器组成。 d c d c 变换器中包含了电流或功率控制，以保证h i d 灯稳定工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 图2 - 6 三级低频方波电路原理图 该电路所用元器件多、成本高，可靠性也相对较低，但随着专用控制芯 片的不断出现，该电路也有广泛的应用范围。 本文采用低频方波点灯法来消除声谐振现象。 2 3 汽车氙灯工作模式分析 以下3 节，首先介绍汽车氙灯的工作模式及其对电子镇流器的一些基本 要求，然后根据这些要求总结出其电子镇流器的基本结构及其设计难点 2 0 - 2 3 1o 汽车氙灯工作模式可分为暂态和稳态两种：从开始建立点火电压，经灯 管激发，到灯管进入稳定工作前的时间段为暂态；灯管脱离暂态，进入稳定 弧光放电阶段即稳态。 氙灯从启动到进入稳态经过六个阶段，分别为：上电，点火，过渡，预 热，升压，稳定。其v - i 曲线也称v e d i l i s 曲线，如图2 7 所示。各个阶段 的工作具体描述如下： 1 上电( t u r no n ) 在氙灯点火击穿前，灯相当于开路。为了完成点火，镇流器必须有足够 高的开路电压，并能持续几十毫秒的时间。此阶段主要是将储能电容充电至 4 0 0 v 电压，提供足够的能量以建立高压击穿灯管。 2 点火( i g n i t i o n ) 氙灯无论高温、低温状态都是高压启动，均需要2 3 k v 以上电压启动灯 管。必须专门设计启动电路来产生所需的高压脉冲。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ( 1 )( 2 )( 3 )( 4 )( 5 )( 6 ) 上电点火过渡预热升比 穗足 n p ( t u r no n ) ( i g n i t i o n )( t a k e 。( w a r mu p )( r u nu p )( s t e a d y 3 0 m s1 0 0 r l $ o v e r ) 1 8 m s6 8 s s t a t e ) 3 0 0 u s ； 6 8 至1 0 5 v ：厂 l 霄并r i 厂r 几r 一 一y uuuujuul 一 j瓢- 4 l 0 j - 4 0 0 v i ；, _ 一4 0 0 h z 低频j 岂流方波- a p ；2 6 a ( m a x ) 2 6 a ( m a x ) 至0 4 a 0 4 a r 8 5 v l 厂 nnnnr 3 5 w nnn 一 ! 武a ，叁jul j uu uiuu 7 ! ；临毅) 。 图2 7 氙灯从启动到稳态的v - i 曲线 3 过渡( 瞄【eo v e r ) 氙灯点火启动后，灯阻抗急剧下降到几十欧姆，灯上流过十几安培的续 接电流用来维持电弧放电，支撑灯电弧不至于熄灭。此续接电流一般由储能 电容提供。 4 预热( w a r m u p ) 由于汽车前照灯不允许长时间的低光效输出，为了快速达到1 0 0 光输 出，电子镇流器必需给灯提供较大的预热电流，来加速灯管达到热平衡。这 个过程中，灯的两个电极近似工作在直流状态，轮流长时间工作，灯电流达 蓟2 6 a ，约十毫秒后，进入下一阶段。 5 升压( r u nu p ) 灯预热后，灯电压缓慢上升，灯电流逐渐下降，输出功率也慢慢下降到 稳态3 5 w 。电子整流器必需提供一个稳定的功率调整电路以免损坏灯管。 6 稳定( s t e a d ys t a t e ) 大约经过6 - - 8 秒后，氙灯进入稳态。此时灯电压取决于灯的特性参数 和寿命情况，一般稳态电压为8 5 _ + 1 7 v 。这时，灯应工作在3 5 w 的恒功率状 态，功率过高会导致灯泡寿命缩短或提前损坏，功率过低又会导致灯熄弧或 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 输出光通量偏低。 2 4 汽车氙灯镇流器的基本电路结构 为了满足灯在启动与稳态时不同的要求，汽车前照氙灯电子镇流器的基 本电路结构包含四个部分，如图2 8 所示。各部分功能如下【矧： 图2 - 8 汽车氙灯电子镇流器基本结构框图 1 d c d c 变换器： 目前汽车所使用的电源为1 2 v 蓄电池，而灯管稳态电压有效值约为8 5 v ， 因此必须经过一级升压电路升高电压，以提供稳态工作所需要的电压与启动 电路所需的高压。 2 高压启动电路( i g n i t o r ) ： 由于需要高压脉冲使灯击穿并开始放电，因此需要高压启动电路。 d c d c 升压电路提供一个约4 0 0 v 的开路电压至高压启动电路，高压启动电 路一般采用一级或两级升压的方式来产生2 3 k v 以上的高压脉冲。 3 d c - a c 逆变器： d c - d c 升压电路的输出为直流电，必须使用逆变电路使其转变为灯管正 常工作时所需的交流方波电流。逆变电路一般采用全桥逆变器，它给灯管提 供低频交流方波电流。方波电流可使灯电流波峰因数接近1 ，可使每个工作 周期灯管功率为固定值，无瞬时功率变化，因此不会产生声谐振。 4 控制与保护电路： 灯管启动时控制启动电路；灯管点亮后，检测是否有过压、短路发生。 通过检测灯电压与电流的信号，来控制驱动和保护电路，使灯管能稳定工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 5 汽车氙灯对镇流器的要求及其设计难点 汽车氙灯电子镇流器的设计难点主要在于【1 8 1 ： 1 启动过程的复杂控制以及稳定状态的恒功率控制 由于汽车氙灯启动的暂态过程极为复杂，根据灯在启动过程中状态的变 化，须采取的控制方式有电压控制、电流控制以及恒功率控制，而且各个状 态差异很大，如何简单、有效、精确地实现这些控制是设计汽车氙灯电子镇 流器的难点。 2 产生足够高的触发启动电压 冷灯、热灯启动均需要2 3 k v 左右的脉冲电压，如何简单、有效地产生 这么高电压的脉冲是研究重点，而且还须考虑高电压时的绝缘抗干扰问题及 其对其它器件的影响。 3 高可靠性 镇流器必须具备异常情况的保护功能，包括过压、欠压、开路、短路等 保护功能。汽车氙灯及其电子镇流器对可靠性的要求非常高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第3 章汽车氙灯电子镇流器主电路研究 在了解氙灯及其电子镇流器的原理与特性的基础上，本章以优化灯的启 动过程，延长灯的寿命，提高电子镇流器和灯之间的匹配性为出发点，对氙 灯电子镇流器主电路一些关键电路和参数进行了研究。 3 1 反激变换器及其漏感能量吸收电路 氙灯电子镇流器在电路结构上一般分为两级，第一级为d c d c 变换电 路，第二级为全桥逆变电路。为了避免声谐振，全桥逆变电路一般工作在低 频模式。d c d c 变换电路是电子镇流器的重要部分，它实现灯电压、电流 和功率的控制。 目前，汽车h i d 灯电子镇流器中普遍采用反激变换器实现d c d c 变换 p o - 3 3 1 。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。反激变换器的主要优点 是不需要输出滤波电感，减小了变换器的体积，降低了成本【2 5 蝴】。图3 - i 所 示为基本反激变换器电路。 v v o 图3 - i 反激变换器电路 反激变换器具有成本低，体积小，易于实现多路输出等优点，因此被广 泛应用于中、小功率( s 1 0 0 w ) 的电源中。但由于变压器漏感的存在及其它分 布参数的影响，反激变换器在开关管关断瞬间会产生很大的尖峰电压，严重 威胁着开关管的正常工作，必须采取措施对其进行抑制。r c d 箝位法以其 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 结构简单，成本低廉的特点而得到广泛应用。然而，r c d 筘位电路的筘位 电压会随着负载的变化而变化，如果参数设计不合理，该电路或者会降低系 统的效率，或者会达不到箝位要求而损坏开关管【3 5 4 踟。 图3 2 是r c d 筘位电路在反激变换器中的应用。其中，v c l a m p 为箝位电 容两端电压；v i 为输入电压；v d 为开关管s 的漏源电压；k 为初级绕组的 电感量：l 祉为初级绕组的漏感量。 i 1d o + j ，l c 。上 lj ，l s t ( s ) x 图3 - 1 0 输出电压响应和输出电容c o 的关系 ( v = 8 5 v ，i = 0 4 1 a ，r - 2 0 6 q ，l - 1 删) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 4 页 图3 - 1 1 输出电压晌应和i g n i t o r 变压器副边电感l s 的关系 ( v = 8 5 v ，i = 0 4 1 a ，r = 2 0 6 q ，c = o 。4 7 u f ) 从图3 1 0 、图3 1 1 可知，d c d c 变换器的输出电压主要由输出电容 c o 决定，c o 越小，输出电压越高。 进一步分析可知，d c d c 变换器输出电压响应的幅值与k 和c o 有如下 关系：k 越大、c o 越小时，输出电压越高，高的电压有助子灯的连续工作； 但是由于k 越大时，灯电流过零的斜率会越小，灯越容易熄灭。因此，只 有通过减小c o 来增大输出电压值，但过小的电容值又会增大纹波电压而引 发声谐振。所以，必须对参数k 、c o 进行合理的设计。 3 3 高压启动电路( i g n i t o r ) 分析 氙灯高压启动电路也称作点火器、启动器或触发器，它实际上是一个高 压产生器。氖灯无论高温、低温状态下均需要2 3 k v 以上电压启动灯管郧】。 荧光灯启动电路大多采用l c 串联谐振网络，当l c 电路发生串联谐振 时，并接于灯管两端的启动电容上产生l k v 左右的高压脉冲，使灯管击穿 而引燃。但此法难以产生4 k v 以上的高压，并且小体积和小容量( s 0 1 u d 的电容，不能承受很高的电压 a l ，所以并不适合于氤灯。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 氙灯多用脉冲变压器式启动方式，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 启动氙灯【4 6 瑚】。这种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逆变回路，造成开关器件损坏。 3 3 1 氙灯启动电路的点火元件 氙灯启动电路通常由带折返式伏安( v - i ) 特性( 即负阻特性) 的元件和升 压式变压器组成。其中，带折返式伏安特性的元件有晶闸管、i g b t 和专用 的触发管，如双向触发管、气体放电管等。这类元件有许多称谓，如硅转折 ( b r e a k o v e r ) 二极管、双向开关二极管( d i a c ) 和硅双向开关( s i d a c ) 1 4 1 1 ，如安森 美半导体的m k p l v 2 4 0 ，图3 1 2 给出了它的电路符号和伏安特性【4 2 】。从其 v - i 特性曲线可以看出，当施加到器件上的电压达到击穿值v ( a o ) 后，电流 急剧增大。在导通电流i t m 下，器件的电压降v r m 仅约1 5 v 。一旦通过器 件的电流降至维持电流l h ( 约1 0 0 m a ) 以下，器件则由导通跃变到高阻截 止状态。这种折返式晶闸管器件的击穿电压从几伏到数百伏，有纳秒级的反 应速度，耐瞬间冲击电流容量从5 0 a 到3 0 0 0 a 。 忻，叫卜m t 2 + c u r r e n t h - 2 i h 一 fl r 、- 二、 ， v 。脯v l b o = 镑嵩 i 慢o ， + v o l i a g e 图3 12m k p lv 2 4 0 的电路符号和伏安特性 3 3 2 脉冲变压器式启动电路研究 脉冲式启动电路有下列几个主要元件组成：充电电阻、放电电容、变压 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 器、触发管。尽管启动电路结构并不复杂，但这几个元件的选择直接影响着 启动电路的性能。对于一个脉冲电压发生电路，我们关心的主要参数有：脉 冲高度、脉冲宽度、脉冲振荡次数、脉冲周期。 图3 1 3 为脉冲变压器式启动电路的波形示意图。图3 - 1 3 ( a ) 所示为逆变 器输出的低频方波波形，脉冲的理想位置应该在全桥开关切换之后的一段时 间内，图中t 的值应该越大越好，主要原因是如果在击穿不久后灯电流马上 换向，灯非常容易熄灭。图3 1 3 ( b ) 所示为脉冲电压的形状，图中对脉冲电 戛压的高度和宽度做了定义。氙灯在启动时需要将近2 3 k v 的高电压脉冲，脉 冲的宽度要求在脉冲电压最高值的9 0 以上有1 u s 以上【2 2 1 ，以2 3 k v 峰值电 压为例，要求脉冲电压在2 0 7 k v 以上宽度有l u s 以上。 v k p ( 2 3 k v ) ( a ) ( b ) 图3 1 3 脉冲式i g n i t o r 电路波形示意图 脉冲变压器式启动电路是利用一个可控开关或者自控元件，将预先充在 电容上的能量通过一个变压器加到灯的两个电极之间，击穿灯管。典型的脉 冲式启动电路如图3 1 4 所示 4 2 , 4 3 】。 图3 1 4 典型的脉冲式i g n i t o r 电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 在灯点亮前，电路处于空载状态，反激变换器输出4 0 0 v 左右的直流电 压。c l 上的电压慢慢上升，当到达s i d a c 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 的导通时间很短，当它的电流小于 维持电流之后就关断，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，如果灯被高压击穿，反激变换器的输出电压会立即下降，c 1 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 。下面通过建立合适 的电路模型来对它进行分析。 图3 1 5 是s i d a c 导通后电路的等效模型。其中r 口、r 。分别是变压器原、 副边的总电阻，k 、k 分别是变压器原、副边的漏感。变压器工作频率为 4 0 0 h z ，为了简化分析，可以忽略变压器副边总寄生电感的影响，从而得到 它的等效电路简化图，b 代表变压器原边的激磁电感，r d n ：为副边折算到 原边的阻抗，k 为原边的漏感，与l 1 相比可以忽略。c l 、l 1 和r l n 2 组成 一个二阶零输入系统，c 1 中的储能经过多个振荡周期最后减小到零。 + c 1 s i d a c l k pl k sl k p r l n 2 图3 1 5si d a c 导通后电路的等效模型及其等效电路简化图 图3 1 6 所示为由等效电路组成的零输入r l c 并联系统，图中各个元件 的电压电流的关系为： c t 鲁吨+ 和 协 d 王， 厶音叫c l 由基尔霍夫定律可以得到电路的微分方程： 蛹争+ 鲁鲁肾。 一刚 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 c 1 r 2 r 1 n 2 图3 1 6 等效电路组成的零输入r l c 并联系统 微分方程的特征方程为： 其特征根为： 厶印2 + - 鲁p + l - k o 1 p l 一面+ 1 p 2 。一2 r q 一 电流垃l 可以写成： ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) t ( f ) ；4 p 雕+ 4 e ( 3 1 6 ) 其中积分常数彳。和彳：由电路的初始条件决定。在这个电路中有以下两 个初始条件，其中圪磁为s i d a c 的击穿电压： f t ( o + ) - - t ( o 一) = 0 l 吃( o + ) = 将式( 3 1 7 ) 代入式( 3 1 6 ) ，可以得到： 解式( 3 - 1 8 ) ，得： p 4 + & + 他- o ；t v b r e a k ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 仁黧 ( 3 1 9 ) 于是可以求得电感电流： h ( t ) f f i 靠 p t t - - e p 2 t ) ( 3 - 2 0 ) 电容电压： o ) = ( p l e 一p 2 e p 一) ( 3 2 1 ) l p l p 2 j 图3 1 7 至图3 2 0 所示为s i d a c 导通后电感l l 电流和电容c l 电压的时 域波形，n = 3 9 ，r = 2 0 1 ) ( 开路时，r 1 - 3 0 k d ) ，v b , 叫, = 6 0 0 v 。可见，它们的 波形呈现衰减振荡