（物理电子学专业论文）基于mcu控制的汽车hid灯镇流器的设计与分析.pdf

学位论文的主要创新点 一、针对传统模拟控制的电子镇流器的价格昂贵、可靠性差和效率 底等特点，设计了一款新型的车用h i d ( h i g hi n t e n s i t yd i s c h a r g e ) 氙气灯电子镇流器。本设计综合考虑了电路的可实现性和成本，在 提高可靠性的同时降低了成本。系统的m c u 选用的是f r e e s c a l e 专 为汽车开发的8 位单片机，实现了数字控制模式。 二、针对现今h i d 灯用电子镇流器中逆变级电路大多采用分立元件 构成的h 桥逆变方案存在损耗大、电路稳定性能差、开关死区时间 较长的缺点，应用了i n t e r n a t i o n a lr e c t i f i e r 公司的i r 2 11 0 逆变驱动 方案，更加有效的实现了直流转交流( d c a c ) 电路的逆变功能。 摘要 随着汽车工业的飞速发展，人们对汽车照明也提出了更高的要求。高强度 氙气放电灯( h i g hi n t e n s it yx e n o nd is c h a r g el a m p 一简称h i d 氙气灯) 就是 顺应这一要求的理想灯具。但是h i d 氙气灯有其复杂的启动特性并且需要非常 精准的时序控制，因此需要以其配套的镇流器。同时镇流器的开发难度大、成 本高也阻碍了h i d 灯的普及。传统模拟控制的h i d 镇流器结构复杂、硬件损耗 大、易受干扰、效率不高以及存在参数漂移等缺陷都影响了灯推广。针对模拟 控制镇流器存在的缺陷，本文设计了一种基于数字控制的新型3 5 w 车用h i d 氙 气灯电子镇流器。选用飞思卡尔6 8 h c 9 0 8 j l 3 e 单片机作为主控制芯片。电路结 构由d c d c + d c a c 的两级拓扑构成，其中d c d c 升压级电路应用了u c 3 8 4 2p w m 脉冲控制器来实现单端f l y b a c k 升压功能，d c a c 逆变部分选用新型逆变芯片 i r 2 l l o 方案，从而使系统的控制效率得到充分的提高，且简化了镇流器系统拓 扑结构，降低了系统的硬件成本。 论文介绍汽车前照灯的发展历程和h i d 氙灯的优良特性。然后从微观特性 上阐述了高强度气体放电灯的放电原理和发光特点，并就车用h i d 灯电子镇流 器的拓扑结构、声谐振问题、恒功率控制及启动电路等关键技术进行了详细的 研究；对镇流器硬件电路进行了具体设计包括主电路参数、控制电路、采样电 路等模块；从系统的主程序、启动控制、恒功率算法上讲述了系统的软件优化 设计过程，配合硬件使得系统更加高效地实现复杂的时序控制。同时还从软硬 件两方面对系统的e m c 技术进行了研究设计，提高了系统的稳定性。 最后给出了样品的测试波型和实验数据分析。实验结果表明电子镇流器可 靠性能好，无声谐振现象。灯的稳态输出电压：8 7 2 6 v ，电流i 。叭：4 2 3 m a ，输 出功率p o u 。：3 6 9 w ，效率7 7 达到8 0 7 5 。 关键词：h i d 氙气灯；电子镇流器；m c u ；声喈振；恒功率 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y , t h er e q u i r e m e n t s f o rq u a l i t ya n dq u a n t i t yo ft h ea u t oh e a d l a m p sa r ec o n s t a n t l yi m p r o v i n g h i g h i n t e n s i t yx e n o nd i s c h a r g e ( h i d ) l a m pi sp e r f e c to n ef o rt h e s er e q u i r e m e n t s h o w e v e r , t h es t a r t i n g - u pc h a r a c t e r i s t i ca n dt i m i n gc o n t r o lr e q u i r e m e n t so fh i d x e n o nl a m pi sc o m p l e x ，w h i c hn e e d sm a t c h e db a l l a s t d i f f i c u l t yi nr e s e a r c h i n ga n d h i g hc o s to fb a l l a s th a ss o m e t h i n gt od ow i t hp o p u l a r i z a t i o no fi t t h et r a d i t i o n a l b a l l a s tb a s i n go na n a l o gc o n t r o l l i n ga f f e c t st h es p r e a do fh i d ，w h i c hh a ss o m e d e f e c t ss u c ha sc o m p l e xs t r u c t u r e ，m o r eh a r d w a r el o s s ，v u l n e r a b l et oi n t e r f e r e n c e ， i n e f f i c i e n c ya n dt e m p e r a t u r ed r i f t a g a i n s ta b o v es h o r t a g e s ，t h et h e s i sh a sd e s i g n e da n e wt y p eo fd i g i t a lc o n t r o le l e c t r o n i cb a l l a s tf o rh i dx e n o nh e a d l a m pw i t ht h e p o w e ro f35 w t h es y s t e ms c h e m es e l e c t sf r e e s c a l e6 8 h c 9 0 8 j l 3 et oc o n t r 0 1 i t i n c l u d e sad c d c + d c a ct w o - t i e rt o p o l o g yi nc i r c u i ts t r u c t u r e ，au c 38 4 2p w m p u l s ec o n t r o l l e rh a sb e e nu s e di nd c d cb o o s tc i r c u i tt oa c h i e v es i n # e - e n d e d f l y b a c kp r o g r a m ，a n dt h ed c a ci n v e r s et r a n s f o r m a t i o np a r th a su s e di r 2 110c h i p f o rt h ef u l l - b r i d g ei n v e r t e rc o n t r o l l i n gw h c i hm a k e st h ee f f i c i e n c yo fs y s t e mc o n t r o l i m p r o v i n gal o t ，s i m p l i f i e st h et o p o l o g yo ft h eb a l l a s ts y s t e m ，i m p r o v e st h es y s t e m s p e r f o r m a n c e ，a n dc u t sd o w n t h eh a r d w a r ec o s t i n g t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v eh e a d l a m pa n dg o o d c h a r a c t e r i s t i co fh i dl a m pa tf i r s t t h e ni th a se x p o u n d e dt h ed i s c h a r g ep r i n c i p l ea n d l u m i n e s c e n c ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hi n t e n s i t yd i s c h a r g el a m po nt h em i c r o s c o p i c c h a r a c t e r i s t i c ，a n dh a sd e t a i l e d l yr e s e a r c h e dt h ek e yt e c h n o l o 西e so ft h ee l e c t r o n i c b a l l a s t so fh i dl a m p ss u c ha sb a s i ct o p o l o g y , m e t h o do fa c o u s t i cr e s o n a n c e ， c o n s t a n tp o w e rc o n t r la n di g n i t i o nc i r c u i t t h e n ，i th a sd i s c u s s e dt h ed e s i g n i n g p r o c e s so fm a i nc i r c u i tp a r a m e t e r s ，c o n t r o l l i n gc i r c u i ta n ds a m p l i n gm o d u l e i ti s e x p l a i n e dt h a tt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no fs y s t e ms o f t w a r ei n c l u d i n gt h em a i n p r o g r a m ，i g n i t e rc o n t r o l l i n ga n da l g o r i t h mo f c o n s t a n tp o w e ra s s i s t i n gw i t hh a r d w a r e t om a k es y s t e m sm o r ee f f i c i e n tr e a l i z a t i o no fac o m p l e xt i m i n gc o n t r 0 1 t oi m p r o v e t h es y s t e ms t a b i l i t y , e m ct e c h n o l o g yo fs y s t e mi sa l s od e s i g n e df r o mh a r d w a r ea n d s o f t w a r ea s p e c t s f i n a l l y , t h ew a v e f o r ma n dd a t aa n a l y z i n go fe x p e r i m e n tt e s ti sg i v e n t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e db a l l a s ts y s t e mh a sg o o dr e l i a b i l i t y , w i t h o u ta n ya c o u s t i cr e s o n a n c ep h e n o m e n o n l a m pv o l t a g ev o u t ：8 7 2 6 v ；c u r r e n t i 。：4 2 3 m a ；o u t p u tp o w e rr ) u t ：3 6 9 w ；e f f i c i e n c yr i su pt o8 0 7 5 k e y w o r d s ：h i dx e n o nl a m p ，e l e c t r o n i cb a l l a s t ，m c u ，a c o u s t i cr e s o n a n c e ，c o n s t a n t p o w e r 目录 第一章绪论1 1 1 汽车前照灯的发展历程1 1 2 车用h i d 氙气灯的优良特性2 1 3 课题研究的意义及主要内容4 第二章h i d 灯的发光原理及其关键技术研究7 2 1 高强度气体放电灯的发光特性7 2 1 1 气体放电的物理过程7 2 1 2 气体放电的伏安特性研究7 2 1 3 高强度气体放电的特点9 2 2 车用h i d 灯对电子镇流器的要求1 0 2 3 关键技术研究1 1 2 3 1 拓扑结构：j 1 1 2 3 2 声谐振问题一1 6 2 3 3 恒功率控制1 9 2 3 4 启动电路研究2 2 第三章车用h i d 氙气金卤灯电子镇流器的设计一2 5 3 1 系统方案设计2 5 3 2 主电路的设计2 7 3 3 逆变电路的设计3 4 3 4 启动电路设计3 5 3 5 控制电路设计3 6 3 5 1p w m 脉冲控制电路3 6 3 5 2 单片机控制电路3 8 3 5 3 电流采样电路设计3 9 3 6 辅助电源设计4 1 3 6 1 l6 v 电源设计一4 2 3 6 2 单片机5 v 电源4 3 第四章镇流器系统的软件设计4 5 4 1 主程序设计4 5 4 - 2 启动控制流程4 7 4 2 恒功率控制算法4 8 4 3 保护电路控制4 9 第五章h i d 氙气灯电子镇流器的e m i 技术及样品波形5 l 5 1 干扰源和干扰对象分析5 l 5 1 1 系统中主要的噪声源5 1 5 1 2 系统中易受干扰对象5 2 5 2 硬件抗干扰技术5 2 5 3 软件抗干扰技术5 5 5 4 参数波形测试分析5 5 参考文献6 1 在校期间论文发表情况6 3 致谢6 5 第一章绪论 第一章绪论 近年来随着汽车工业的飞跃发展，h i d 氙气灯由于其卓越的性能已丌始应 用到汽车前照明系统中。由于h i d 氙气灯具有很多优良特性，所以它成为汽车 照明主角的趋势将势不可挡。本章简要介绍了汽车前照灯的发展历程和车用 h i d 氙气灯的优良特性，最后说明了研究此课题的意义并概括了本文的主要内 容。 1 1 汽车前照灯的发展历程 第一代汽车前照灯是乙炔前照灯。乙炔气火焰的亮度比当时的电光源所能 达到的亮度高出一倍，因而，在1 9 2 5 年以前使用的汽车前照灯几乎全是乙炔前 照灯。第二代汽车前照灯是电光源前照灯。1 9 1 3 年带螺旋灯丝的充气白炽灯泡 问世，因其具有较高亮度，给电光源前照灯丌辟了广阔的前景。第三代汽车前 照灯是双光灯芯前照灯。为解决在交会车时因前照灯的强光造成驾驶员炫目而 导致交通事故发生，双光灯芯前照灯应运而生。虽然双光灯芯改善了会车时灯 光炫目现象，但并没有完全解决汽车车灯的配光问题。第四代汽车前照灯是不 对称近光前照灯。双光灯芯前照灯系统属于对称近光系统。为解决在会车过程 中，前照灯既不产生炫目的强光，又能保证对道路具有良好的照明，1 9 3 2 年美 国发明了不对称前照灯。它是以基准轴为中心，将光束一分为二，靠近来车一 侧的落地距离短( 即光束被压低，从而防炫) ，而另一侧光束的落地距离长( 即光 束被抬高，从而增强照明效果) 。第五代汽车前照灯是卤钨前照灯。1 9 6 4 年法 国斯贝公司生产出第一批装有卤钨灯泡的汽车前照灯。该灯灯丝允许工作温度 较普通白炽灯泡高，光效增加约5 0 ，寿命也增加一倍。此后汽车的前大灯照 明也多采用了卤钨灯泡的原理。第六代汽车前照灯是充氙气灯泡。b e s t 氙气 灯就是其中一种。该灯泡内部填充优质的惰性气体氙气，并选择高品质的钨丝 和优质的石英玻璃管，使灯泡的使用寿命和亮度发挥到极致，亮度达到3 2 0 0 流明以上。此类灯泡因没有改变原车灯泡的外形尺寸，所以不会产生聚焦不准 的问题。这样的灯泡聚光效果非常好，而且k 值在4 3 0 0 k 以上，色泽柔和、灯 光白亮。第七代汽车前照灯是氙灯泡( 推荐使用) 。h i d 氙灯又称高强度放电式 气体灯，英文h i dh i g hi n t e n s i t yd i s c h a r g el a m p ( 简称h i d ) 。该灯采用高电压 放电技术将氙气( x e n o n ) 灌入石英内管，再透过精密安定器通过三次变压将1 2 天津。i ：业人学硕十学位论文 伏特电力瞬间提高至2 3 0 0 0 伏特以上，激发管内的氙电子游离，在两电极间形 成一束超强电弧光，使光色更亮，发出的光接近太阳光【1 1 。 从早期乙炔气前照灯发展到当今的自由面反射镜气体放电前照灯，差不多 经历了1 2 0 年的历史。如图1 一l 所示为1 9 9 2 国外研制的d 1 ，d 2 两种短弧氙气 金属卤化物戈t ( h i d 氙气灯) 【2 1 。 d d 图1 - 10 s r a m 两款汽车短弧氙气灯实物照片 目前p h i l i p s ，o s r a m ，g e 都有相应的产品。两者相比，d 1 系列带启辉器，d 2 系列不带启辉器，因此d 1 系列适合用在灯与镇流器相距较远的场合，且灯与 镇流器之间不需要高耐压连接线。他们又分成两类：d 1s ，d 1 r 和d 2 s ，d 2 r 。其 中s 表示用于透镜，r 表示用于反光碗。例如：d 1 s 表示：用于透镜上的带启 辉器的有汞氙气灯泡。o s r a m ，p h i l i p s ，h a r i s o nt o s h i b a ，s t a n l e y , m e w , k o i t o 等光源 公司正在研究下一代无汞的d 3 ，d 4 短弧氙气金属卤化物灯。在欧美、日本等国 的中、高档车中，有6 0 以上的新车配备了氙灯。国产车中也有奥迪a 6 和帕 萨特领驭、索纳塔等中高档车安装了h i d 氙灯。预计未来两三年，国产车装备 h i d 氙灯的车型会大大增加。h i d 氙灯取代卤素灯已经是大势所趋。 1 2 车用d 氙气灯的优良特性 因为钨丝在高温之下，会有游离的钨原子脱离灯丝，并累积在灯泡的玻璃 壳上，造成透光度下降，所以传统卤素灯泡在长期使用之后照明效率变差。h i d 氙气灯与卤素灯的主要区别在于：前者通过气体电离发光，后者通过加热钨丝 发光。比较而言，h i d 氙气灯具有无可比拟的优越性。图l 一2 和表1 1 为传 2 簋雀盥一毽 l l - 第一章绪论 统卤素灯与h i d 灯的照明比较和参数比较。具体来说，氙气灯的优势体现在以 下五个方面【3 】 4 1 。 ( 1 ) 亮度：使用功率大小一样的氙气灯，亮度大约是钨丝灯的2 3 倍。 虽然氙气灯的发光电弧与卤素灯的钨丝长度直径相近，但发光效率和灯亮度都 提高了近3 倍； ( 2 ) 节f i e - 和钨丝灯相比，能够节约近半电能。空调、g p s 、车载电话 等装备都需要耗电，而汽车照明大灯则是耗电最大的汽配之一。节约一半电能 的优势显而易见； 图1 2 传统卤素灯与h i d 氚气灯的照明比较 表1 - 1 参数比较 标准岗豢尘t灯 灯光源灯丝灯弧放电 包温3 0 ( ) ok4 10 c ) ok 光通量7 0 0 lo ( ) 0 3 2 0 0 灯泡功率 5 5 w3 5 w 寿命3 2 0 l0 c x - ) ，j 、时大于3 0 0 0 , 时 ( 3 ) 寿命长：由于不用灯丝，没有了传统灯易脆断的缺陷，h i d 的寿命也 提高了近1 0 倍，大约可以使用达2 0 0 0 - - - - 3 0 0 0 小时； 3 天津f ：业人学硕十学位论文 ( 4 ) 安全性：其实这才是h i d 氙气灯的魅力所在。很多使用过的车主反 映，安装了h i d 氙气灯视线好，夜间驾驶的安全性大幅提高。这主要足因为氙 气灯带来的多重光束和强度比简单的远、近光配置更有效，能大幅提高车前方 的照明，照亮前方的标志，这些对行车安全的重要性是毋庸置疑的； ( 5 ) 应急性：由于氙气灯与卤素灯的发光原理不同，当蓄电池供电出现问 题或电子镇流器出现故障时，它会延长几秒才熄灭，这便使车主有一定的时i 、日j 去处理紧急情况。 h i d 氙气灯虽然有如此多的优良特性，但只出现在一些高档车的应用中而 未能迅速的推广。追其原因，是因为h i d 灯的启动过程极为复杂，与其配套的 电子镇流器设计难度高，价格昂贵。如果能降低电子镇流器的设计难度与成本， 其需求量将大量上升，应用前景非常光明。司机朋友在夜间行驶的安全性也将 大大提高。 1 3 课题研究的意义及主要内容 本课题基于m c u 控制的汽车h i d 灯镇流器的设计与分析的选题目的 意义在于： ( 1 ) 2 0 世纪7 0 8 0 年代，全球面临能源危机及全球环境保护浪潮的兴起， 节约能源，保护全球环境成为全人类的共识。据权威组织统计，全世界范围内 的电力消耗中，从九十年代开始，照明用电大约占总发电量的1 0 一2 0 。由此 可见，如此巨大的能源如果得不到高效、妥善的使用，造成的浪费与可能产生 的危害都是巨大的。而电子镇流器作为一种节能照明电器，是实现绿色照明的 关键所在。随着电力电子技术、半导体技术和控制技术的不断发展，电子镇流 器的技术也在不断发展之中。但高强度气体放电灯电子镇流器却迟迟未能取得 突破性发展，要完全替代传统的电感式镇流器，还有很多研究工作需要做。 ( 2 ) h i d 灯电子镇流器的研究者往往对气体放电灯的特性不熟悉。但是对 气体放电灯电特性的了解是研究电子镇流器的基础。目前大多数研究人员把气 体放电灯看作一个简单的电阻性负载，并没有考虑它的一些动态特性。电子镇 流器设计时如何考虑灯动态特性的影响是一个值得研究的内容。 ( 3 ) 对于普通照明用的h i d 灯一电子镇流器，传统的三级拓扑早已提出， 而且应用得比较广泛，但是随着集成电路技术的迅速发展，一些专用i c 芯片的 推广实用己能取代传统的分立器件。因此本着缩小体积，简化拓扑，降低成本 的目的，本文将提出一种新型的电路拓扑结构，对提高灯的发光效率有相当大 的意义。 4 第一章绪论 ( 4 ) 由于h i d 灯的电特性，启动时需要一个极高的瞬问脉冲完成点火过 程，而对于这个高压脉冲的宽度和高度都将直接对灯的寿命产生影响，因此为 了保护好镇流器和灯对启动电路的改进设计有很大的实际意义。 ( 5 ) 针对传统模拟控制的电子镇流器在控制性能和精度上的许多不足，本 文提出一种新的数字式电子镇流器系统，更好的实现了系统的启动过程和恒功 率状态控制，使镇流器能够更加j 下常稳定的工作，从而达到延长镇流器使用寿 命的目的。 本课题的主要研究内容是通过分析高强度气体放电灯的特性，以车用h i d 灯为研究对象，详细地介绍了一种数字控制的h i d 灯用电了镇流器的设计过程。 其主要内容如下： 第一章概述了汽车灯的发展历程、h i d 灯的优良特性及课题研究的意义和 主要内容。 第二章分析了高强度气体放电灯的发光原理及其伏安特性，并总结了电子 镇流器工作原理及关键技术。 第三章详细论述了3 5 w 车用h i d 氙气金卤灯电子镇流器的设计过程，包 括电路拓扑结构、参数设计和原理的介绍。 第四章对3 5 w 数字控制电子镇流器的软件流程进行了详细的论述。 第五章讲述了系统的e m i 技术与样品灯的参数波形。 5 天津+ r ：业人学硕十学位论文 6 第二章h i d 灯的发光原理及其关键技术研究 第二章d 灯的发光原理及其关键技术研究 为了能够设计出与h i d 灯相匹配的电子镇流器，我们有必要从微观上了解 一下气体放电的理论。本章在简要介绍了高强度气体放电的物理过程、伏安特 性及高强度气体放电特点的基础上，详细的给出了车用h i d 灯对电子镇流器的 要求。最后，对其电子镇流器的关键技术作了深入的研究。 2 1 高强度气体放电灯的发光特性 2 1 1 气体放电的物理过程 按量子理论的观点，电子只能在一些分立轨道上绕原子核旋转，不同的轨 道对应原子的能量不同。原子能量只能取一系列离散的值，原子的一个能量状 态就称为能级。最低的能级称原子的基态，正常情况下，原子处于基态；最稳 定。基态上面的能级称为激发态。对于气体放电灯来说，不管我们以何种方式， 使气体原子获得了一定能量而离开基态，激发到更高能量状态的能级，处于高 能态的气体原子是不稳定的，它会自动地回到原来的基态。在从高能态回到基 态过程中，原子会以光的形式放出其多余的能量，这就是发光。所放出光的频 谱和二能态之差丝具有如下关系【5 】【6 】： a e ：竺生：h u( 2 1 ) 五 而e 又可表示为： a e = e a v( 2 2 ) 上式中h 是普朗克常数，c 是光速，五是波长，e 是电子电荷，o 是光的频 率，a v 是能级之问的激发电势差。由此可见只要我们知道了电子在原子能级 图中能级变化状况，就可简便地计算出它辐射能量的频率和波长。如果波长在 可见光范围，就可以被我们看见，这也就是我们常说的气体放电发光现象。 2 1 2 气体放电的伏安特性研究 虽然h i d 灯拥有很多优良的工作特性，但是它的启动却比其它电光源复杂 困难得多。在经过前人无数次的实验后发现h i d 灯在启动过程中具有特殊的非 线性负伏安特性，其独特性显而易见，如图2 1 所示【6 】【7 1 。 7 天泮。l ：业人学硕十学位论文 。点为开始给h i d 灯施加电压的零点。在o a 段，电极在电压的作用下产 生带电粒子，而两极问的电场使其做定向运动形成电流。随着电压的升高，带 电粒子运动速度变大，电流也相应增大。在a b 段，电场继续增强，所有外致 电离产生的带电粒子全部到达电极，电流达到饱和状态，即电压升高的同时电 流基本保持不变。 b 点以前，带电粒子具有的能量不足，还不能在管内气体原子发生弹性碰 撞时使气体原子电离，此时气体原子不参与放电过程。b 点之后，带电粒子得 到了足够能量使中性气体原子发生电离。同时，被电离产生的带电粒子又以相 同的方式去碰撞其它的气体中性原子并使其电离。于是灯管内的带电粒子浓度 迅速增大。大量的带电粒子开始参与放电过程，使得灯管电流急剧增大。这种 碰撞和电离的连锁反应被称为“雪崩效应”，所以图2 1 中b d 段叫作雪崩放电。 雪崩放电使得阴极附近正离子浓度很高，阴极表面受到大量离子的强烈轰击， 大量新的电子被正离子从阴极“打出”，称为“二次电子发射”，这使得放电进一 步增强。 o 幽2 - 1 气体放电过程的伏安特性 在d e 段，电流基本保持不变，管压迅速降低，开始进入所谓辉光放电阶 段。在e f 段，因为此时的阴极电流密度是一个常数，所以电流增加而管压降 基本维持不变。在f g 段，阴极的电流密度随着灯管电压的上升而开始增加。 从e 点到g 点灯管都属于辉光放电阶段，此时可以看到灯管发出可见辉光。e f 段称为“正常辉光放电阶段”，f g 段称为“非正常辉光放电阶段”。 在g 点之后电极温度升高，阴极由冷阴极发射状态转变为热电子发射状态。 这时电子是依靠放电本身的能量，以阴极的场致发射和阴极表面附近气体的热 电离方式获得的。此时，放电形式由辉光放电形式进入弧光放电。放电管内出 现明亮的弧光，放电呈现明显负伏安特性，即电压随电流增加而减小。 8 第二章h i d 灯的发光原理及其关键技术研究 在o c 段，放电是非自持的，如果撤去外致电场，放电就会停止，而c 点 之后的放电是自持的，从e 点之后都是稳定的自持放电。其中，辉光放电的电 流在1 1 0 l x l 0 - 1 a 之间，光弧发光强度不高。弧光放电是一种白持放电，弧 光放电的电流强度一般在1 0 0 m a 以上，且具有负伏安特性。 2 1 3 高强度气体放电的特点 由前面的论述可知，高强度气体放电灯电弧管内的气体在稳定工作时处于 弧光放电状态，弧光放电通常由阴极位降区、正柱区和阳极位降区组成。电弧 的阴极电压值和阳极电压值都很小，因为阴极位降值小，正离子轰击阴极产生 的电子发射很小，主要是电极被加热引起的热电子发射，因此弧光放电的主要 特性由其正柱区决定。 弧光放电的正柱区是一个电流通道的等离子区，但是随着气压的变化会表 现出不同的性质，下面我们来比较一下低气压气体和高气压气体的弧光放电特 性的区别。 低气压时，气体原子很稀薄，电子与气体原子的碰撞机会少，电子与气体 原子发生一次碰撞后，可能在移动了较长的距离后再与另一个气体原子发生碰 撞，即电子有较长的自由程。这时在电极间的电场加速作用下，电子可能具有 较大的动能，即获得较大的电子能量，因此，电子温度z 比气体温度疋要高得 多，一般z 可达5 1 0 4 k 以上，而疋与放电管的管壁温度相仿。可见，在低气 压气体放电的工作条件下，气体原子的电离和激发主要是由电子的碰撞来完成， 其它因素处于次要地位。从物理学原理可知，电子的碰撞激发的几率与电子所 具有的能量有关，而电子的能量在电子的自由度和电场强度固定的条件下为一 定值。所以并不是所有的能级都能被激发，常常只是某些特定的能级被激发， 相应这些能级之间的跃迁产生的线光谱也就特别强，低压钠灯就是低气压气体 放电而辐射特定谱线的典型。线光谱强的光源必定带有某种特定的颜色，其色 表和显色性都不是很好。 当气体气压逐步升高时，放电空间中气体原子的浓度也逐步增加，电子的 自山程度小，电子碰撞损失所带能量后，常常还来不及积累足够的能量便再次 发生碰撞，因此这种碰撞几乎只是弹性碰撞，无法使原子激发和电离。由于气 压升高后，弹性碰撞的频率非常大，电子动能就非常容易转移到气体原子上， 二者之i 日j 渐趋平衡。也就是说，气体压力的升高，使得电子温度z 逐步降低， 而气体温度疋逐步上升，虽然电子温度总是会比气体温度略高一些，但当气体 气压增加到一定数值以后，等离子体的电子温度z 和气体温度疋之间就相差无 几了，这种等离子体称为等温等离子体，也就是达到了热平衡状态【7 】。 9 天津i ：业人学硕十学位论文 在热平衡状态下，气体放电空间中的电子的碰撞激发和电离所起的作用相 对低气压放电时就微乎其微了，而高温气体的热激发和热电离则成为主导因素。 这时气体放电的发光特性也会和低气压放电的发光特性有明显区别。在低气压 放电时，以单个原子的光谱占主导地位，辐射的光谱主要是该元素原子的特征 谱线；而在高气压放电时，由于相邻原子接近，原子之间的相互作用增强，原 子特征谱线放宽，产生了谱线的压力加宽、多普勒加宽等。另外，在高气压工 作条件下，热电离现象明显加剧，电子和正离子在放电空间中的浓度很高，它 们在放电区域复合的几率大大增加，这就产生了气体放电的发光机理中另一个 很重要的现象一复合发光。辐射的波长取决于下式： e i 瓦+ i 1 ，y 。2 + 寺，巧杉2 ( 2 3 ) 又因为： 一竺：垒：1 2 + 吉m 1 巧2 ：旦 ( 2 4 ) d = = o 一= 一 k 么一q ， hh旯 所以波长为： ，见：一c h 。 ( 2 5 ) 厶e 上面的式子中，e , e 是工作气体的电离能；寺聊。曙是电子动能；寺竹巧2 是正 离子动能：u 是辐射频率；h 是普朗克常数：h = 6 6 2 1 0 - 2 7 尔格秒；z 是辐射 波长。 放电空间中的电子的动能是连续变化的，因此复合发光的波长也不是固定 的，而是一系列连续可变的数值。随着气压的升高，电子和正离子的浓度相应 增加，复合发光显然也会进一步增加，因此在很高的工作气压下，辐射的光谱 中有很强的连续部分。所以，工作在高气压放电工作条件下的气体放电光源具 有连续性较好的光谱，也就是说光源的色表和显色性能都比较优良。 2 2 车用d 灯对电子镇流器的要求 e c e r 9 9 对车用h i d 氙气灯着火过程速度的要求非常苛刻，该标准规定为 点火1 秒时光通输出需达目标值的2 5 ，而4 秒时需达目标值的8 0 以上。根 据h i d 车头灯的特性，对电子镇流器的设计具体要求如下博j ： ( 1 ) 提供足够高的触发启动电压以保证h i d 灯在不同状态下的有效启动。 冷的h i d 车头灯的触发启动电压往往达3 - - - - 4 k v ，是荧光灯的3 5 倍，而热灯 时需要高达2 3 k v 的高压。在如此高的电压下要求不能对电子镇流器中的元器件 1 0 第二章h i d 灯的发光原理及其关键技术研究 造成损害，这无疑给电路的硬件设计提出了很高的要求。 ( 2 ) 能保证实现可靠的恒功率输出。当灯启动后进入正常工作状态时需要 维护稳定的恒功率输出以保证灯的正常发光。如果电路不能给h i d 灯个精确 的恒功率输出，由于汽车蓄电池的输出不稳定性以及灯本身随着使用时间的变 化其内阻也会发生变化而最终导致灯的输出功率不稳定，从而影响灯的正常工 作，这将减少灯的使用寿命，从而削弱h i d 灯的优点。 ( 3 ) 能有效的避免“声共振”现象的发生。在高频电源供电时，h i d 灯在 电源的某些频率范围内会出现放电电弧不稳定的现象，轻则是灯光抖动，重则 炸毁灯管。电弧不稳也往往会造成熄弧，随电压升高电流急剧增大，最终会使 得灯和镇流器都损坏。 ( 4 ) 能连续长时间工作，即使在恶劣的环境条件下也可以正常运行。汽车 有时会行驶在一些环境恶劣的条件下，这也就决定了电子镇流器必须能在这些 条件下给h i d 灯供电，有时甚至要求连续点燃1 0 小时左右。因此要求h i d 灯 电子镇流器必须能耐高温、耐低温、防风沙、防雨淋，同时要求供电突然中断 还能立即恢复正常工作。 ( 5 ) 在h 1 d 灯出现故障或烧毁时，镇流器不应损坏。为此，要求镇流器 具有完善的自我保护功能。 2 3 关键技术研究 高强度气体放电灯具有负阻抗特性，必须外接镇流器才能稳定工作。而根 据本章第一节给出的h i d 灯启动时的伏安特性曲线以及第二节h i d 灯对电子镇 流器的要求来看，h i d 氙气灯在“点火到稳态的过程中，阻抗是一个动态变 化的参数。这就需要镇流器在氙气灯启动全程的不同时间里提供合适的电流和 电压，保证h i d 氙气灯能f 常启动，并在进入稳态之后能稳定工作。本章主要 从拓扑结构，避免声谐振方法、控制策略、启动电路几个方面来研究和探讨氙 气灯用电子镇流器的可行性方案。 2 3 1 拓扑结构 电子镇流器一般采用的是三级或足两级的电路结构。本文采用的是两级的 结构，即第一级为直流直流转换电路，第二级为全桥逆变电路。前文已提到为 了避免h i d 灯电极的损坏和声谐振现象的发生，全桥逆变电路只是把直流电压 转换为交流方波且一般工作在低频模式，因此直流直流变换电路在整个电子镇 流器中起决定性作用，灯电压、电流和功率的控制都在这一级实现。 天津ji ：业人学硕十学位论文 ( 1 ) d c d c 变换基本拓扑一j 由于汽车蓄电池正常输出范围在9 1 6 v 之间，而灯f 常的工作电压在8 5 v 左右，所以直流直流变换电路应该具有升压的功能。除了要满足灯j 下常工作要 求外，必须考虑电路的空载输出电压能力。空载输出电压的高低决定了i g n i t o r 电路和t a k eo v e r 电路的设计。 在众多的直流转直流电路拓扑中，图2 2 所示的b o o s t 电路是最简单的。 当起开关作用的m o s f e t 导通时，电流i d 。逐渐的增大，能量存储在电感l 中； 当m o s f e t 断开时，电源v d 。和电感共同给电容c o 充电，存储在电感中的能 量传递到c o 中。其输出电压也增大。当m o s f e t 工作在很大的占空比时，可 以得到较高的输出电压。然而在这种工作条件下，输出二极管d o 存在反向恢复 的问题，开关的电压电流应力高，损耗大。 为了解决单级b o o s t 电路开关占空比大，开关应力过高的问题，可以级联 两个b o o s t 电路，如图2 3 所示。尽管能量经过了两次转换，但是效率仍然可 以达到9 1 以上。这个电路存在两个问题，首先结构比较复杂；另外由于d 0 2 仍 然存在反向恢复的问题，开关s 2 仍然存在较大的损耗。 + i 王) o v o v 蠡 图2 2b o o s t 变换器及其一【作波形 图2 3 两级b o o s t 变换器 图2 4 所示的是一种高升压比，同时占空比适中的变换电路。当占空比接 近0 5 时，升压比原理上可以达到无穷大。其基本的工作原理是当开关导通时， 输入电压和电容c b 的电压一起给电感l 2 充电，同时输入电压和输出电压一起 给电感l 2 充电。当开关关断时，l l 通过d 。向c b 充电，同时c b 通过l 2 向输出 1 2 第二章h i d 灯的发光原理及其关键技术研究 负载提供能量。通过分析可以得到开关的电压应力为2 v o + v d c ，另外电路中能 量也是经过两次变换，变换效率不高。 图2 5 所示的是b u c k b o o s t 电路。它的结构比较简单，但存在与b o o s t 电 路相同的问题，唯一不同的是它的输出电压是反相的，这一点在汽车这种应用 场合有特殊的意义。图2 6 和图2 7 是非隔离型s e p i c 变换器和隔离型s e p i c 变换器，其工作原理这里就不作详细介绍了。 。筵 + i j 1 1 一 图2 4 非隔离升压电路图2 5b u c k b o o s t 变换器 图2 6 非隔离型s e p i c 变换器图2 7 隔离型s e p i c 变换器 从上面的电路拓扑分析来看，有很多电路可以实现升压的目的，差别在于 电路的复杂程度以及转换效率的高低。 ( 2 ) 反激式变换器及其拓扑结构 上面介绍了几种典型的升压型电路，但目前在国内外的文献中针对h i d 氙 气灯在汽车中的应用，其电子镇流器中直流直流变换电路应用最多的是单端反 激式变换器。图2 8 ，图2 9 所示的就是两种单端反激式变换器，它们之间 唯一的差别就是钳位电路的不同。图2 8 采用的是无源的r c d 钳位电路，而 图2 9 采用的是有源钳位电路。 1 3 天津ji ：业入学硕士学位论文 佃ns d , n - 图2 8r c d 筘位反激式变换器 图2 9 有源箝位反激式变换器 ( 3 ) 正激式变换电路与反激式变换电路的对比分析 在目前现有的文献中，针对汽车应用的氙气金属卤化物灯，其电子镇流器 中直流直流变换电路没有采用正激式变换电路。其主要原因在于正激式变换电 路的空载输出电压能力不如反激式变换电路。当反激式变换电路采用触发模式 工作模式时，很容易达到3 5 0 v 以上的输出高压以提供给触发电路和续流电路。 图2 1 0 是灯电压电流的等效波形。图2 1 1 所示的正激式变换电路由于变压 器不需要储存能量，所以变压器磁芯的尺寸可以很小。如果要输出4 0 0 v 的电 压，就必须增加变压器的匝数比，这样就增大了窗口面积。 ) 铲一j产州 图2 1 0 灯电压电流的简化波形 图2 1 1 正激式变换器 在反激式和正激式两种变换电路中，以输入电压为1 2 v 输出电压为4 0 0 v 为例，两种变换电路中变压器的原副线圈的匝数如下：反激式变压器需要原边7 匝和副边4 2 匝。正激式变压器需要原边7 匝和副边2 3 3 匝。可见为了得到4 0 0 v 的输出电压，j 下激式变压器的原副匝数比是反激式变压器的1 5 6 倍。虽然j 下激 式变压器的磁：卷尺寸可以很小，但是由于副边匝数太大使得窗口面积必须很大。 过多的副边绕组会导致变压器铜损的增加，这样对提高效率是很不利的。从图 2 1 0 可