（电力电子与电力传动专业论文）微机控制及新型两级hid灯电子镇流器的研究.pdf

a b s t r a c t t h eh i g h i n t e n s i t y d i s c h a r g el a m p s ( h i d ) ，c o n s i s t i n go fab r o a dr a n g eo fg a s d i s c h a r g el a m p s ，a r en o t a b l ef o rt h e i rh i g hl u m i n o u se f f e c i e n c y , g o o d c o l o rr e n d e r i n g a n d l o n gl i f ea n d h e n c ea r er e g a r da st h em o s ti d e a ll i g h ts o u r c e a sar e s u l t ，t h ed r i v e r c i r c u i to fh i dl a m p s ，n a m e l yb a l l a s t ，h a sb e c o m e a l l i m p o r t a n tr e s e a r c hp o i n t c o m p a r e w i t ht r a n d i t i o n a l e l e c t r o m a g n e t i cb a l l a s t ，e l e c t r o n i c b a l l a s th a st h e a d v a n t a g e o fe n e r g ys a v i n g ，l i g h tw e i g h te t c a n dh a v ea t t r a c t e dm o r er e s e a r c hf o r c u s 肼曲t h ec h a r a c t e r i s t i c so fu n p a r a l l e l e df l e x i b i l i t ya n dp r o g r a m m a b i l i t y ，d i g i t a l c o n t r o ls h o w s m a n y m e r i t si nv a r i o u sa p p l i c a t i o n s ，i ti sd r a w i n gc l o s ea t t e n t i o nd u et o i t s f l e x i b i l i t ya n dr e a l i z a t i o no fc o m p l e xc o n t r o lm o d e i ne l e c t r o n i cb a l l a s tf o rh i d l a m p sm a d h a sb e c o m ea n o t h e r h o t p o i n ti nt h i sd i r e c t i o n i nt h ef i r s t c h a p t e r , c a t e g o r i e s o fh i dl a m p sa r e g i v e n a n d e l e c t r o n i c c h a r a c t e r i s t i c sa n do p e r a t i o np r i n c i p l e so fh i dl a m p sa sw e l la ss e v e r a lt y p i c a l e l e c t r o n i cb a l l a s ti sp r e s e n t e d as i m p l em o d e lc o n s i d e r i n ga c o u s t i cr e s o n a n c ee f f e c t o fh i d l a m p s i si n t r o d u c e d w h i c hi sc o m p a t i b l e 谢t hc o m m o ns i m u l a t i o ns o f t w a r e c h a p t e ri ip r e s e n t st h e l a t e s t d i g i t a ld e v e l o p m e n ti np o w e re l e c t r o n i c s f i e l d ， e s p e c i a l l yi nl i g h t i n gf i e l d ，i si n t r o d u c e d i nt h e c h a p t e ri i i ，a h i db a l l a s tw i t ha d i g i t a l c o n t r o l l e ri s d e v e l o p e dt o d e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h ed i g i t a lc o n t r o la l o n gw i t hs o m ek e yi s s u e si nd i g i t a l c o n t r o l l e rs e l e c t i o na n dd e s i g n d i g i t a lc o n t r o li si m p l e m e n t e dt ok e e pt h el a m p p o w e r c o n s t a n ta n do f f e ra c a p a b i l i t yo fd i m m i n g t h el a m p b e s i d e s ，am o r er e l i a b l ep r o t e c t c i r c u i ti sg i v e n i ti sv e r i f i e db y e x p e r i m e n t a lr e s u l t s i nt h ec h a p t e ri v , m e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i s t i c so fa c o u s t i cr e s o n a n c ea r e i n v e s t i g a t e d a n o v e l t w o s t a g e a n da c o u s t i cr e s o n a n c ef r e ee l e c t r o n i cb a l l a s t p r o v i d i n gl i n ef r e q u e n c yl a m pc u r r e n ti sp r o p o s e dw i t hd e t a i ld e s i g np r o c e d u r e s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t sa r e g i v e n t o v e r i f y i t s s u p e r i o r i t y k e y p e r f o r m a n c e sa r ec o m p a r e db e t w e e nt h ep r o p o s e db a l l a s ta n d e x i s t i n g b a l l a s t s t h r o u g he x p e r i m e n t a ld a t a k e yw o r d s ：h i g hi n t e n s i t yd i s c h a r g el a m p ；e l e c t r o n i cb a l l a s t ；d i g i t a lc o n t r o l a c o u s t i cr e s o n a n c e 浙江大学砸士掌位沦文 1 1 引言 第1 章绪论 照明是人类文明的永恒需求，从第一只白炽灯诞生开始，电光源就以其稳定， 方便，亮度高等优势取代了传统光源，成为人们生活中必不可少的部分。 据统计，世界上目前约有6 0 0 0 多种灯，目前它们可以被分为六类：自炽灯、 荧光灯、低压钠灯、汞蒸汽灯、高压钠灯和金属卤化物灯。其中荧光灯和低压钠 灯属于低压气体放电灯。汞蒸汽灯、高压钠灯和金属卤化物灯、以及一些特种气 体放电灯如氤灯，氪灯等，属于高压气体放电灯，即高强度气体放电灯( h i g h i n t e n s i t y d i s c h a r g e l 锄p ) ，其基本发光原理相同，之所以产生不同的光输出，是 因为它们的填充气体和蒸汽的神类不同。另一方面，随着技术的发展也出现了一 些新的光源如固体光源等，这将在第二章中介绍。 随着科技进步与世界经济的高速发展，能源与环境问题成为全人类e j 益关注 的问题。节能问题己引起世界各国的关注，很多国家制定了各种形势的“节能法” 对能源的使用发放，消耗限度加以限制。据权威组织统计，目前全世界范围内的 电力消耗中，照明用电大约占总发电量的2 0 。就我国而言，1 9 9 5 年照明用 电约1 0 0 0 亿千瓦时，占当年总发电量的1 0 。预计到2 0 1 0 年将会增加到1 5 0 0 亿千瓦时，这意味着不仅要增加大量的经济投资，而且会产生大量的污染。就此 提出的“绿色照明工程”是由国家经委等1 3 个部门，在“九五”期间共同组织 实施的一项旨在节约电能、保护环境和改善照明质量的重点节能示范工程。“绿 色照明工程”的实施取得了明显的经济效益和社会效益f 2 】 3 】 4 】 节约能源的紧迫感促使许多公司致力于研究节能光源以及与之配套的电子 镇流器。半导体技术的飞速发展，各种大功率开关器件的不断涌现，为电子镇流 器的开发提供了条件。7 0 年代末，国外厂家率先推出了第一代电子镇流器，是 照明发展史上的一项重大创新。由于它具有节能等很多优点，引起了全世界极大 的关注。被认为是取代电感镇流器的理想产品。电工技术、电光源技术和微电子 技术的迅猛发展，促进了电子镇流器向高性能，高可靠性方向的发展【钳。 目前，在荧光灯照明系统中，荧光灯电子镇流器已经成功取代传统的电感镇 流器，得到了广泛的应用l ，并在照明系统数字化和智能化管理方面取得了长足 塑兰查竺竺主兰竺竺苎 一 - _ _ _ _ _ _ _ _ - ，一 一一 的进步。而用于街道、广场等照明的高强度气体放电灯配接的仍然是电感式镇流 器。因此，高强度气体放电灯电子镇流器的研究具有广泛的应用前景。 1 2高强度气体放电灯分类及特点 电光源的分类根据发光原理可以分为：热辐射光源和气体放电光源两大类 4 】【7 9 】。本节我们主要介绍气体放电光源中的高强度气体放电灯的分类及其特点。 其他类型电光源的详细介绍可参考文献 4 】 9 。 在通常情况下，气体是良好的绝缘体，不能传导电流，但是在一定的条件。p ， 如强电场、光辐射、离子轰击和高温加热下，气体分子可能发生电离并产生可自 由移动的带电粒子，在电场作用下形成电流，这种电流通过气体的现象称为气体 放电。在电离气体中，存在着各种中性粒子和带电粒子，它们之间发生着复杂的 相互作用，带电粒子不断地从电场中取得能量，并通过各神相互作用把能量传递 给其他粒子，这些得到能量的粒子可能被激发，形成激发态粒子。当这些激发态 粒子自发返回基态时，会释放出光子；此外，电离气体中正负带电粒子的复合、 带电粒子在电场中的减速等，也会产生辐射，因此气体放电总是伴随着辐射现象， 利用这一原理制造而成的光源称为气体放电光源，简称气体放电灯。 根据放电管气体的电压不同，气体放电灯又可以分为两种：低气压气体放电 灯和高气压气体放电灯。高气压放电灯又称高强度气体放电灯( h i g hi n t e n s i t y d i s c h a r g el a m p ) 。荧光灯作为低气压气体放电灯的典型代表，是室内照明的主要 电光源。具有自炽灯无法比拟的优点：光效高、寿命长。以普通的卤磷酸钙荧光 灯为例，功率4 0 瓦荧光灯的光效可以达到6 0 流明瓦，比自炽灯高4 倍，寿命 可以达到1 0 0 0 0 小时，是白炽灯寿命的1 0 倍：而且显色性能好：色温范围较宽， 光线柔和，光输出随电源电压变化较小，不影响视觉。 高强度气体放电灯主要代表有高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯。表1 ，1 所示为不同种类的高强度气体放电灯的特点及应用场合口l 。 表1 ，1 高强度气体放电灯特性比较 灯类型高压汞灯高压钠灯金属卤化物灯 碘化钠、碘化铊、 主要填充气体汞蒸汽钠蒸汽、汞蒸汽、氙 碘化铟 功率范围 10 w 一1 0 k w3 5 w 15 0 0 w1 0 w 1 m w 光效( 流明瓦)4 0 6 07 0 1 2 56 0 1 2 0 薅十大掌硕士掌位论文 i 显色指数 2 0 3 0 3 06 0 9 0 光色淡蓝一绿色黄一金白色白色 平均寿命( 小时) 5 k8 k 2 4 k5 0 0 2 0 k 厂房照明、室内道路、机场、码头及 广场、商场、体育 主要应用场合场照明，建筑物泛 外照明工矿企业照明 光及投光照明 由于高压汞灯光效相对较低、显色性较差且寿命较短，已经逐步为高压钠灯 和金属卤化物灯所代替，而高压钠灯和金属卤化物灯则具备了光效高、显色性好、 发光集中等优点，已经成为继白炽灯、荧光灯之后的第三代电光源。 1 3高强度气体放电灯电特性及其电子镇流器 作为高压气体放电光源，h i d 灯有着非常复杂的电特性。要设计一个性能优 良，工作可靠的高强度气体放电灯电子镇流器。就必须对电子镇流器的负载h i d 的特性有充分的了解。 1 3 1 高强度气体放电灯的电特性 气体放电光源根据工作原理的不同可分为两类：辉光放电灯和弧光放电灯。 辉光放电和弧光放电原理在文献【8 l 9 】 1 0 中有详细阐述，在此不再赘述。下面主要 介绍弧光放电工作状态下高强度气体放电灯所表现出来的电特性。 高强度气体放电电弧是由弧光放电来维持的，其放电电弧的伏安特性如图 】1 所示f 4 l 。 v 图】1 稳定工作时高强度气体放电灯的伏安特性 由曲线不难看出，竺是负值，即放电灯具有负伏安特性，这也是我们说的 一, 4 1 一。1 。一 浙4 大掌硕士掌位论文 气体放电灯的负阻特性。 将具有负伏安特性的气体放电灯单独接入电网时，其工作是不稳定，它可能 会由于电流无限增加导致灯或者镇流器电路某一部分损坏，或者电流无限制减小 最后导致熄弧。 如果我们把一个电阻和弧光放电电弧串联使用，那么在一定的工作区域内， 可以克服电弧固有的不稳定性。在图1 2 中，a ，b 分别为弧光发电电弧和电阻的 伏安特性曲线，而c 则是两者的结合体，只有当c 具有正伏安特性时，放电灯才 能稳定工作。在交流情况下，还可以用电感或电容来代替电阻，与弧光放电电弧 串联的电阻、电感或电容可称为镇流器或限流器。 q i 图1 2放电灯的伏安特性 图l ，3 所示为典型的高强度气体放电灯电感式镇流器线路，图中三是补偿弧 光放电电弧的负伏安特性的必不可少的一部分，c 的作用是提高输入端的功率因 数。该镇流器的优点是电路简单可靠，与电阻式的镇流器相比，不仅可以减小损 耗，而且可以使灯更为稳定。而不足之处在于，电路工作于工频状态，补偿高强 度气体放电灯负阻特性所需要的电感量会很大。因此电感式镇流器存在着功率因 数低，体积大，笨重等缺点。 l a m p 图1 3 典型的电感式镇流器 灯的启动过程是灯寿命最为敏感的因素之一。很好的理解灯的启动过程并设 浙江大掌硕士学位论文 计符合其特性的电子镇流器是一个优秀的设计者必备的素质，不同的灯有不同的 启动特性，需要区别对待。 一般定性地将高强度气体放电灯可以分为五个过程【4 ：上电、点火、过渡、 升压、稳态。其矿，曲线如图1 4 所示。一个设计良好的电子镇流器应该符合灯 的启动特性。并能根据不同的阶段，采取不同的控制方法，这样不仅能保护灯不 受到损害，还能加强电子镇流器的可靠性。通过控制启动的时序使h i d 灯能够 从一个阶段平稳的过渡到另一个阶段，最后进入稳态。同时要考虑到h i d 灯可 能出现的各种异常情况，提供保护或者重点火功能。 胂鬯_ 辫礴响： 灯电压! l； 门厂 nff l 5 lf j h 八汕叫炉| t 一十一一 ：一 1 譬i 雕甜紫址； ； l 0i m 一1 ； 。 图1 4h i d 灯定性启动v - i 曲线 1 上电( t u r n o n ) 高强度气体放电灯在点火击穿以前，灯负载相当于开路为了能够击穿气体， 必须提供足够高的开路电压。开路时的直流母线电压一般要在2 0 0 v 以上，此时 电子镇流器需要向灯提供恒定的电压并且能够持续一定的时间( 金卤灯约几十 m s ) 。在附加点火电路的情况下，该电压可以通过启动电路提供给h i d 灯足够高 的电压脉冲，击穿灯管。 2 点火( i g n i t i o ns t a g e ) 一般情况下，若启动前h i d 灯管是冷态，击穿气体的启动电压约3 5 k v ，但 如果需要热启动的话启动电压须高达2 3 k v 3 0 k v 。因此对于一般不需要热启动 的场合，要有足够的时间等待灯管冷却。启动脉冲的上升时间也很重要，要求上 升时问越短越好，在高压脉冲激励下，经过一次或者几次h i d 灯就能启动，进入 下阶段。 启动电压应该不低于灯管的最低启动电压，没有上限。同时该电压也不能太 高，点火电压过高一方面会增加对阴极的溅射，另一方面也会对电路其他器件的 浙江犬掌司e 士学位 f e 文 可靠性造成影响，而且会降低灯的寿命。因此最佳的点火电压是能让灯正常点燃 的最低电压。 3 过渡( t a k e - o v e rs t a g e ) h i d 灯点火启动后，灯管电压迅速下降，同时灯光中产生可见的辉光。导通 后其内阻由原来的无穷大降到很小。由此时电流的急剧增加导致灯管进一步导 通，这个电流支撑灯电弧不至于熄灭。该冲击电流通常由在上电阶段已经充满足 够电荷的电容提供。 4 预热( w a r m - - u ps t a g e ) 灯管内气体被击穿后，灯两端的电压与灯管温度有很大关系，以一个3 5 w 的 金卣灯为例【4 训，热启动时灯管的初始电压在8 5 v 左右，冷启动时初始电压不到 2 0 v 。因此，冷启动时，启动后还需要提供一个较大的电流预热灯管，这个阶段 是h i d 灯的启动过程中十分关键的一步，若灯管没有预热，即使灯内气体被高压 脉冲击穿后，灯仍然会再次熄灭。 5 升压( r u n - - u ps t a g e ) 灯电极经过预热以后，h i d 灯的灯管电压缓慢上升，灯电流缓慢下降。 6 稳态( s t e a d y s t a t e ) 经过约几分钟时间后，h i d 灯进入稳态。整个启动过程完成。 t i m e a f t e r m a r h n g m i n u r e s 图1 5 高压钠幻启动过程曲线 图1 5 为一1 5 0 w 高压钠灯的启动曲线，从图中可以看出灯在启动后灯o a l 玉, 、 6 浙t 大掌硕士掌位论文 灯电流，灯内阻以及输出功率的变化趋势和上面分析一致。从启动到稳定工作， 即达到额定功率输出和光输出需要时间大约为5 7 分钟。不同类型的灯启动所需 时间也不相同，通常高压钠灯从启动到稳定所需时间比金属卤化物灯长。 1 3 2 高强度气体放电灯的电气模型的研究 对于气体放电灯特性的充分理解是设计好h i d 灯电子镇流器的关键，在设计 过程中，以恒定电阻代替灯是远远不够的，准确而实用的灯模型有助于人们更深 刻地理解灯特性，更好的设计镇流器。与仿真软件相兼容的基于物理机理的模型 成为最佳选择，随着仿真工作功能的发展和完善，m a s t 等行为描述语言的出现 使建立准确的物理仿真模型变得不再那么困难。通过以上的讨论可以知道，高强 度气体放电灯正常工作时具有“负阻特性”，即随着工作电流的增大电压减小。 因此，它们不能直接应用于电压源上，否则微小的电压波动将导致电流过大烧毁 灯管或者熄弧。为了能使高强度气体放电灯稳定工作，必须有镇流器与之配套。 对于电气工程师来说，在设计镇流器时一个可用于仿真软件进行仿真的高强度气 体放电灯的模型变得非常有用。同时，气体放电灯是一个具有热惯性的非线性电 阻元件。要全面掌握这一具有热惯性的非线性电阻元件，从而进行电子镇流器的 优化设计和稳定性分析，必须建立合适的气体放电灯模型。从1 9 4 8 年f r a n c i s 提出 的著名的假设以来。目前，关于气体放电灯的建模可以分为以下四种【1 0 j ： 【物理级模型【8 研】：应用物理学家从统计物理学基本原理出发，所建立的模 型涉及气体放电灯的参数、灯内气体温度和气压以及灯管形状灯。其目的是为了 指导电光源的优化设计。此类模型的缺点：参数过于复杂，数学形式为多值函数 或隐函数难于求解，不能直观反映气体放电灯的电参数变化规律。对于电气工程 师来说，这种模型往往不能与经常使用的仿真软件相兼容，因此其实用性不大。 【经验级模型】：一些电光源专家从气体放电灯在各种驱动条件下所表现出 来的外部v i 特征，通过一些假设，对f r a n c i s 方程进行各种形式的修改后，来建 立灯的瞬时v - i 关系的微分方程经验模型【8 9 1 【9 0 。这类模型可以借助计算机进行数 值运算来仿真气体放电灯在各种不同驱动模式下的v i 波形。此模型的缺点：缺乏 理论基础、计算量大、不适合对电子镇流器进行优化设计。 【小信号模型】：1 9 9 7 年e d w a r d d e n g 提出了荧光灯在频域内的小信号模型。 小信号模型的提出，使电路工作者能够应用经典控制理论来设计电子镇流器与气 体放电灯构成的照明系统在额定工作点的稳定性网络。文献 1 6 给出了汽车用小 功率金属卤化物灯的小信号模型，根据所提出的小信号模型，优化设计了电子镇 流器的控制回路。但是，到目前为止，大功率高强度气体放电灯的小信号模型的 具体参数仍未确定。 浙江大掌硕士掌位论文 【动态仿真模型】：这类模型g t m i c r o l i n e a r 公司的u p a n d e r 在1 9 9 2 年的i e e e i a s 的年会上首先提出，它能较准确的描述灯在不同工作方式下的特性，下面将详 细介绍一种可以较精确的描述h i d 灯在高频、低频时的阻抗特性，并包含了灯的 声谐振现象的p s p i c e 模型。 对于气体放电灯充分理解是设计一个合格的镇流器所必备的条件，在设计过 程中，特别是灯在低频运行状态，以恒定电阻代替灯进行设计是远远不够的， h i d 灯是一个严重的非线形负载，而声谐振问题更增加了其复杂程度。灯的参数 和一些物理数据很难得到，一些参数甚至灯泡生产厂商也没有确切的数据。这为 对灯建模增加了困难。对于电子镇流器设计者来说，在设计镇流器时一个可用于 仿真软件进行仿真的高强度气体放电灯模型变得非常有用。事实上，人们也做了 一系列的努力对灯管进行建模。 文献 9 2 1 提出了一种可以直接用于仿真的h i d 灯模型，它能用于低频和高频 工作模式的仿真，其缺点是该模型需要许多灯的物理参数，如气体参数，灯管气 压等，而这些参数都很难得到，因此，其实用性不大。 文献 9 3 9 4 提出的一种基于能量守恒方程的h i d 灯模型，图1 6 为一般镇 流器系统的原理图。可以得到： 0 ； v ( t ) = l - ，l + f ( r + ，) + 屹k( 1 i ) a , r 其中v ( o 为市电输入，三为镇流电感，r 为灯电阻，r 为电路等效内阻，k b 为电 极产生的压降。 l a m p 例1 6 5 0 h z 的h i d 灯驱动电路 高强度气体放电灯是一个具有热惯性的非线性电阻元件，根据能量守恒方程 得到： 鲁鸹。哦。吨) ( 1 2 ) 其中p 。一妇r b 。为热能损耗，p 州为辐射损耗，口，为一常数，r 为灯管内气体 的温度，另外， = 口2e x p ( - e a 3 k t )n 3 1 浙江大学硕士掌位论文 只。= 日。( r 一瓦) ( 1 4 ) e 为一个电子所带电荷量，为波尔咨曼常数，7 为气体温度，乃为管壁温度， 根据文献 9 3 ，假定为1 0 0 0 k 。日? 、d j 、4 均为常数。 由式( 1 2 ) 、( 1 3 ) 、( 1 4 ) 可得到灯电阻为： ，、 r 2 赢= a s t - 3 4 e x p ( e 吒他灯) ( 1 5 ) f 为电弧长度，s 为电弧截面积，盯，伊) 为电弧电导率，彤、为常数。 它可对低频和高频工作模型仿真，得到在不同频率下较精确的h i d 灯的v i 曲线，这种模型需要的六个模型参数可通过测量一个h i d 灯在工频下的灯电 压和灯电流，经过优化算法如遗传算法计算得到。这种建模方法简化了在建模时 的需要大量灯的物理参数而带来的困难。并且适用于高频和低频的工作模式。不 过，它只考虑了灯稳定工作时的模型，并没有考虑声谐振的影响。 声谐振发生是由于输入能量的周期性变化导致的，如果该能量的频率和灯的 特征频率接近的话，就很有可能发生声谐振。实验证明，声谐振发生最严重时的 工作频率总是在或者接近特征频率，在特征频率附近，一个很小的能量波动都极 可能引起电弧的不稳定。理论上，灯管的特征频率可以通过解一个简化的与灯结 构有关的波动方程得到 9 5 j 。 人们发现在未发生声谐振时，灯的电阻最小，而发生声谐振时灯电阻则变大。 文献【9 7 】认为未发生声谐振时，灯弧是稳定无弯曲的，灯弧长度最小，因而其平 均阻抗最小，而发生声谐振时，灯弧发生弯曲，灯弧长度变长，因而具有较大的 阻抗。在高频工作模式下，灯的特性接近电阻，所以可以通过测量灯电压与灯电 流的有效值来计算出灯的阻抗。 在以上二者的基础上，文献 9 8 提出了一种考虑了声谐振的影响，可计算高 频时灯阻抗的公式： 旦1 肛n 蔷矿蒜 ( 1 6 ) 其中厂是工作频率，是由文献【9 5 得到的特征频率。a 、b ，由特征频率下的灯阻 抗决定，它们可由测量结果通过一些优化算法如遗传算法得到。k 为稳定工作时 的灯阻抗，这里看作为一常数a 这种模型考虑了声谐振，可以较精确的描述灯在 高频工作情况。但不适用低频工作方式。 我们注意到式( 1 5 ) 为稳定工作时的灯电阻，若不考虑声谐振的影响，其大小 应与式( 1 6 ) 中的k 相等【9 7 】。如果该假设成立，则可以得到： 9 浙江大学硕士掌位论文 肚吒r ”4 e x p ( e a 。2 k t ) + 善瓦蒜 ( 1 7 ) ，t l 、，一，ia 十d 式( 1 ，7 1 由两个部分组成，一个是非线形电阻部分，与灯管的温度有关，另外 一部分则考虑声谐振时的灯电阻的变化，与频率有关。文献【9 7 对第二部分就一 3 0 w 的金卤灯进行了仿真，结果如图1 7 所示。当工作频率低于2 0 k h z 时，第二 部分的灯电阻值很小，可以忽略，也就是说，低频下灯电阻主要由前一部分决定。 文献 9 6 】研究发现，灯内粒子温度的调制深度在工作频率为5 0 h z 时是2 0 ，工 作频率升到1 0 k h z 时减小到了1 。因此，随着工作频率的上升，在一个工作周 期内，灯管内气体粒子的温度可以作为常数，即高频下式( 1 7 ) 的前一部分为常数。 这与式( 1 6 ) 得出的结论是一致的，所以，对( 1 7 ) 所作的假设是成立的。 频率( k h z ) 图1 7 灯电阻与频率的关系的仿真结果【9 7 j 文献 9 7 】就该模型建立了p s p i c e 模型，对一3 0 w 的金卤灯进行了仿真和 实验，结果如图所示1 8 1 1 0 。 f r e q u e n c yc k t l z ) ( a ) 1 0 浙江大学硕士学位论文 ( c ) 图1 8灯模型仿真结果与实验结果对比 ( a ) 灯电流；( b ) 灯电压：( c ) 灯电阻 图1 _ 8 为高频下灯电流、灯电压、灯电阻的仿真结果与实验结果的对比，可 以看出，仿真结果可以较精确的预测声谐振的发生频率。这对设计高频电子镇流 器具有较好的参考价值。 i 0 j o0 0 0 50 0 1 do 巾1 5o 0 2 0 m es 份 ， o 1 舯 ! 耋 2o 萤。 一1 一 5 0 - 2 0 0 do 0 0 5o 0 1 000 1 500 2 0 t m e 5 ( b ) _ 25 吐0 15 一o _ o50 0 510s2 025 i a m 口叫r 旭n f a ( d ) ，一&5ni 浙江大掌硕士掌位论文 050 52 0 m _ n b u s 卜干1 7 7 a c q s t ： | | j j 。 。一 。 i o5 0 x l o 61 o x l o - 51 5 x 1 0 _ 52o x l o 一5 t i m e , s ( f ) - 1 o - 0b 吨8 - 0 a - 0 20 0 20 40 6 0 81o i m p c u 珊n 1 a 图1 9 灯电流，灯电压的仿真与实验结果对比 9 7 j ( a ) 工作频率为5 0 h z 时灯电流的仿真与实验结果对比； ( b ) 工作频率为5 0 h z 时灯电压的仿真与实验结果对比： ( c ) 工作频率为5 0 h z 时灯的伏安特性实验结果： ( d ) 工作频率为5 0 h z 时灯的伏安特性仿真结果： ( e ) 工作频率为5 2 k h z 时灯电流的仿真与实验结果对比： ( o 工作频率为2 k h z 时灯电压的仿真与实验结果对比： ( g ) 工作频率为5 2 k h z 时幻。的伏安特性实验结果： ( h ) 工作频率为5 2 k h z 时灯的伏安特性仿真结果 图1 9 为低频和高频两个工作频率下的稳定时的灯电压，灯电流，以及灯的 伏安特性的仿真与实验结果比较。可以看出，在高频和低频的稳定工作状态，该 模型都很较好的反应出了灯的动态特性。这种模型并不需要复杂的灯的参数且能 2 o 口ilo，4一 全：。础小舶枷 _ c j j o u n e g sgp5 浙江大掌硕士掌位论二赶 较准确的反映灯的动态特性，在设计的镇流器拓扑或者应用比较复杂的控制策略 方面，可以利用这类模型进行可行性分析。 1 3 3 高强度气体放电灯镇流器的工作原理 从前面的介绍可以知道，高强度气体放电灯特有的“负阻特性”，使其不能 直接应用于电压源上，为了克服这种不稳定的特性，最直接的方法就是将灯与一 个高阻抗的元件相串联，使串联网络呈现正阻特性，这就是镇流器最基本的原理。 下面简要介绍与高强度气体放电灯匹配的电感式镇流器和电子镇流器的工作原 理，以及高强度气体放电灯工作在高频和低频时的不同工作模式下的各自电特 性。 1 电感式镇流器 高强度气体放电灯工作在交流5 0 h z 或6 0 h z 时，电子浓度不再是常数，而 是随着时间的变化而变化，在半周开始时，电流要增加，即电子浓度增加。而在 半周的后半期，电流减小，电子浓度随之下降。电感式镇流器通常都工作在该频 率，这种系统的输入端功率因数低而且灯的功率因数也很低。另外，由于灯是在 交流状态下工作，因此每个周期电流都会有过零点，如果这个过零点时间较长， 使得气体放电离子的热常数比一个灯电流周期还低的话，就会引起再点火现象。 以图1 3 的典型电感式镇流器为例，以金属卤化物灯为负载。图1 1 0 为输入端和 输出端的工作波形，从图( a ) 可以看出，输入端电流有较大的畸变，因此功率 因数低；图( b ) 中灯电压波形中的小尖峰反映了灯对重复点火的要求。再点火 对灯的寿命有很大影响。如果灯内无电流的时间太长，不但灯重复点火困难，灯 光还会出现明显的闪烁，这也是通常所说的频闪现象。 图1 1 0 金属卤化物灯电感式镇流器工作波形 ( a ) 输入端电流电压波形( b ) 灯电流电压波形 浙江太掌硕士学位论文 2 提供高频灯电流的h i d 灯电子镇流器 为h i d 灯提供高频灯电流的电子镇流器通常包括以下三个单元旧：如图1 1 i 所示。 i 功率因数校正电路( p f c ) ； i i 高频逆变电路； i i i 谐振回路。 高频 a c p f c 逆变 1 n 电路 电路 图1 11高频电子镇流器基本框图 功率因数校正( p f c ) 电路是为了减小输入电流谐波对电网造成的污染，通常 采用b o o s t 电路，以实现输入端的高功率因数和低输入的电流谐波。 高频逆变电路通常采用半桥逆变电路，如图1 1 2 ( a ) ，其作用是为h i d 灯提 供一高频电流，高频下的镇流电感体积和重量可以显著缩小，同时h i d 灯在高 频工作状态下电特性呈正阻特性【l0 1 。半桥逆变电路结构简单，容易控制，缺点是 电压利用率较低。在大功率应用场合，也可采用全桥逆变电路，如图1 1 2 ( b ) 所 丌i 。 图l1 2 ( a )半桥式谐振式电子镇流器 1 4 浙江大学硕士学位论文 图11 2 ( b ) 全桥逆变电子镇流器 图1 1 2 还包括了谐振电路部分，图1 1 2 ( a ) 所示为一典型的串联谐振电路， 通过谐振为h i d 灯提供一类似正弦波的灯电流。关于各类谐振电路的特性以及 在高强度气体放电灯中的应用在文献f 9 】中已有了详细的阐述，在此不再赘述。 对于高强度气体放电灯而言，高频电子镇流器具有控制简单、灯电流稳定、 容易启动等特点，但是h i d 灯在高频工作时所固有的声谐振问题成为阻碍h i d 灯高频电子镇流器发展的瓶颈。 当气体放电灯工作在高频( 几k h z 一几百k h z ) 时，灯的工作频率远远大于灯 内气体的电离频率，灯管电压和灯管电流为线形关系，灯电阻的动态特性呈现电 阻特性。以一1 5 0 w 的高压钠灯为例，图1 1 3 ( a ) n 其在1 0 0 k h z 工作频率下的灯 电压电流波形，图1 1 3 ( b ) 为高压钠灯在高频下的动态伏安特性。 r e k + 、s t o p mp o - 4 0 0 肛 v l a m p i l a m p 洲+ 2 i 。? o h 2 晰v m2 5 蕊一豌 嘶+ 协矿“渊2 ”蝻甜，- 一弹“忡 图11 3 高压钠灯在高频下的工作波形 ( a ) 灯电流电压波形( b ) 动态伏安特性 当高强度气体放电灯工作于高频时，其工作性能会发生相应变化，主要表现 为： 1 高强度气体放电灯的光效随着工作频率的提高而提高。因为随着灯工作 频率的提高，灯的阳极电压和阴极电压下降，使得电极损耗下降，光效得以提高。 浙江大掌硕士掌位论文 2 高强度气体放电灯的效率随着工作频率的提高而提高。在高频工作状态 下，高强度气体放电灯功率因数接近于l ，功率因数的提高减4 , t 输入电流的有 效值，降低了电路损耗，从而提高了效率。 3 高强度气体放电灯的触发电压随着工作频率的提高而降低。由于工作频 率的提高使得电极的电子轰击发射增强，灯的触发电压降低，从而提高了镇流器 的可靠性，并延长了灯的使用寿命。 高频驱动还有助于延长h i d 灯的使用寿命。高频驱动下的h i d 灯，其电极 区损耗和放电正柱区的损耗同时下降，有助于延长灯的寿命。此外，高强度气体 放电灯在高频工作时还具有无频闪、发光集中、色温变化小等优点，而且随着灯 寿命的增加，灯电压升高较小、光通亮变化较小、电极也不易因蒸发而变黑。 3 提供低频灯电流的电子镇流器 从2 0 世纪8 0 年代以来，电子镇流器设计人员针对h i d 灯电子镇流器声谐 振问题提出了各种解决方法，诸如低频电流点灯法 6 2 】f 6 5 、频率调制法 6 4 、白 噪声相角调制法【6 6 】、超高频点灯法 6 8 j 等。 其中低频电流点灯法被认为是目前最有效和最实用的方法，这类电子镇流器 的设计原理是为高强度气体放电灯提供一低频电流源以起到镇流作用。最典型的 提供低频灯电流的电子镇流器拓扑为三级低频方波电子镇流器，由p f c 级、 d c d c 、和低频逆变三级组成。其本质是在取得高功率因数的同时，控制直流变 换器的输出电流，然后通过低频逆变完成灯电流的极性变换。主要特点是经过整 流后的市电通过p f c 级( 一般为b o o s t 升压电路) ，使电子镇流器的功率因素 得到提高；然后采用适当的控制策略是中间级d c d c ( - - 般为b u c k 电路) 成为 一种功率可调的恒流源：低频方波逆变器将直流灯电压与灯电流转化为交流，以 防止灯工作在直流状态造成灯的极化，影响灯管寿命。典型的三级低频方波灯电 流波形如图1 1 0 所示。 u n i t r o d e 公司于1 9 9 6 年1 9 9 6 年推出了低频恒流工作方式的h i d 灯电子镇流 器的控制芯片u c 2 3 3 0 5 1 2 9 1 a ，其主要功能是完成对b o o s t p f c 级、b u c k 恒 流级和方波逆变主开关的控制，这也从一个侧面反映出低频方波驱动的h i d 灯 电子镇流器是目前最为实用和可靠的消除声谐振的方式。 三级低频方波电子镇流器能完全避免声谐振的发生，电路结构清晰。缺点在 j 二元器件较多、体积大、成本较高、效率较低。由此，人们自然考虑到将三级转 换为两级甚至一级以节约成本。从而出现了许多提供低频灯电流的两级或单级 h i d 灯电子镇流器拓扑 5 4 6 1 1 6 2 1 6 5 7 6 。这将在第四章作出较详细的阐述。 浙江大学硕士掌位论文 ； ：二- 二：二：二二：、二：2 惫 l | ： 图1 1 4 三级低频方波电子镇流器灯电流波形 1 3 4 高强度气体放电灯电子镇流器的设计要求 高强度气体放电灯具有非线性的电气特性，它的很多特性跟灯的几何形状以 及材料有关。虽然高强度气体放电灯电子镇流器的设计思想来源于荧光灯电子镇 流器，但是相对于荧光灯，高强度气体放电灯的问题要复杂得多。根据h i d 灯 的特点，对这类电子镇流器提出了以下要求。 1 能够有效控制灯功率的输出。目前国产荧光灯电子镇流器输出功率在 4 0 w 左右，最大输出功率也不过8 0 w ( 4 0 w 双管) 。而高强度气体放电灯的功率 往往达到数百瓦，功率范围从几十瓦甚至数m w ，对电子镇流器的功率开关管提 出了非常高的要求。 2 能够提供足够高的触发电压。高强度气体放电灯的触发电压往往高达3 4 k v ，电子镇流器必须提供足够高的触发电压，而且在灯启动过程该高压不能对 灯及镇流器的其他元器件造成损害。 3 能避免或消除h i d 灯的声谐振问题。高强度气体放电灯尤其是金卤灯在 高频工作状态下会产生声谐振现象。轻则使电弧弯曲、灯光抖动，重则烧毁灯管。 声谐振频率范围可以覆盖几k h z 到上百k h z ，而且与灯的内部结构和充气参数密 切相关，不同的厂家、不同型号、不同功率等级的灯都具有不同的声谐振频率。 而且还会随着灯寿命的该频率也会发生变化，给电子镇流器的设计带来了困难。 4 能够连续长时间燃点，在恶劣环境条件下也可以正常工作。像高压钠灯 主要用于室外照明，在露天场合下，冬季温度低至2 0 0 c 并不罕见，而夏季温度 高达4 0 0 c 情况也屡见不鲜。而且通常需要连续燃点1 0 小时左右。因此，要求 h i d 灯电子镇流器必须能在比较恶劣的气候环境下工作。同时还要求供电突然中 断能恢复正常工作，在灯泡坏掉的情况下电子镇流器不受到损坏。 浙江大掌硕士掌位论文 5 鉴于h i d 灯功率较大，而且使用量大，要求电子镇流器对输入电流谐波、 射频干扰和电磁辐射具有足够的抑制能力。 6 h i d 灯在热灯弄启动时需要的触发电压要远远高于正常启动时所需的电 压 1 2 】，因此设计良好的电子镇流器应该实现智能控制，解决好热灯再启动的 问题；应该具有完善的保护电路，避免灯管寿命快结束时功率过负荷的危险。 7 高强度气体放电灯的灯管电压会随着灯管的不断老化而增大，从而引起 灯功率的变化。造成灯管色温的变化和加快老化，因此设计优良的电子镇流器应 具有良好的恒功率特性。 以上几点概括了h i d 灯电子镇流器设计中的较为关键的问题，从以上要求 可见，开发高强度气体放电灯用电子镇流器的难度远远高于普通的荧光灯电子镇 流器。 1 4本课题研究的意义及主要工作 综上所述，高强度气体放电灯作为新一代的高效电光源，正曰益现实其优越 的性能。高强度气体放电灯电子镇流器与传统的电感式镇流器相比有着无与伦比 的优越性，作为绿色照明工程的一个重要组成部分，研究性能优越，可靠性高、 能够彻底解决声谐振现象的高强度气体放电灯电子镇流器已经成为当务之急。 数字控制已经广泛应用于电力电子和照明领域中并发挥着越来越大的作用， 它的优势以及随之而来的各种问题成为研究的热点，电子镇流器也正向着集成 化、模块化、多功能、高可靠性的方向发展，随着控制器和数字技术的不断完善， 数字化必定能够发挥出其显著的优越性。 本课题对高强度气体放电灯电子镇流器的单片机控制以及消除声谐振问题 进行了初步研究。要设计一个性能良好的电子镇流器，首先必须对负载一高强度 气体放电灯的电特性有着充分的了解，第一章详细介绍了高强度气体放电灯的电 特性，包括h i d 灯的启动特性，工作原理以及设计电子镇流器的基本要求，并 介绍了一个可用于仿真的考虑了声谐振影响的h d 灯模型。第二章则对微机控 制在电力电子领域中的发展进行了综述。第三章以高压钠灯为被控对象，通过开 发以其相配套的数控式的可调光电子镇流器，在简化电路结构，增强保护功能， 改善照明环境和节能方面进行了