（电力电子与电力传动专业论文）数字控制的汽车头灯电子镇流器设计及启动过程研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sb eah i g hp r e s s u r eg a sd i s c h a r g el a m p ，x e o ns h o r t - o r el a m ph a sb e e np o p u l a ri nt h e m a r k e to fa u t o m o t i v el a m p ，d u et oi t sg o o dc o l o rr e n d e r i n g , h i g hl u m i n o u se f f i c a c yw h i c hh a s e x c e e d e dt h ep e r f o r m a n c eo fc o n v e n t i o n a lh a l o g e nh e a d l a m p s s 0t h er e s e a r c ho ft h ee l e c t r o n i c b a l l a s tf o rx e o nl a m ph a sa t t r a c t e dm o r ef o c u s d u et ot h ec o m p l i c a t e ds t a r t - u pc h a r a c t e r i s t i c ， d i g i t a lc o n t r o ls e e m sm o r es u i t a b l ea n db e t t e ri nt h ec o n t r o lo fx e o n l a m pi nc o m p a r i s o nw i t h a n a l o gc o n t r 0 1 i nt h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e st h eh i s t o r yo ft h ed e v e l o p m e n to f a u t o m o t i v el a m p t h eb r i e f a n a l y s i so ft h ed i f f i c u l t i e so fe l e c t r o n i cb a l l a s tf o ra u t o m o t i v el a m ph a sb e e ng i v e n t h r o u g h p o i n t i n go u tt h ea c t u a l i t yo f t h ee l e c t r o n i cb a l l a s t , w et a l ka b o u tt h ef e a s i b i l i t ya n de s s e n t i a lo f t h e s u b j e c tc o m b i n et h et r e n do f t h ed e v e l o p m e n t c h a p t e ri ip r o v i d e st h eb a s i cc i r c u i t s t r u c t u r eo fx e o n - l a m pa tf i r s t c o n s i d e r i n gt h e i m p o r t a n c eo ff i r s td c d cs t a g e ，s e v e r a lc i r c u i t sw h i c ho w nt h e s a m ef u n c t i o na tp r e s e n ta r e d i s c u s s e dd e e p l y s o m er e p r e s e n t a t i v ec i r c u i t so fi g n i t e ri sp r o v i d e d a tt h ee n do ft h i sc h a p t e r g i v e st h ea d v a n t a g eo fd i g i t a lc o n t r o lm o d e c h a p t e ri i ig i v e sad e t a i l e dd e s i g np r o c e s sf o ra u t o m o t i v eh e a d l a m pe l e c t r o n i cb a l l a s t d u e t oi t sm a i nt e c h n o l o g yg u i d e l i n e ，t h ed e s i g nc o u r s eo fm a i nc i r c u i ti sd i s c u s s e dd e e p l y m o r e o v e r , t h el o s sa n dt h ee f f i c i e n c yo ft h em a i nc i r c u i ti sa l s op r o v i d e d f o l l o w i n gt h ed e s i g no fi g n i t e ro f s i n g l es t a g e ，t h ep r i n c i p l eo fa n a l o g y d i g i t a lm o d e ，c o n t r o lc i r c u i t si si n t r o d u c e d a c c o r d i n gt o t h e e x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h ed e s i g np r o c e s s i sw e l lc o n f i r m e d c h a p t e ri vt h es t a r t u pc h a r a c t e r i s t i co ft 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 i s i n t e r p r e t e d d e e p l y n o - f l i c kc o n t r o lm e t h o d sh a v eb e e np r o v i d e df o rm h d a n dx e o nl a m pa c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i co ft h e ms e p a r a t e l y m o r e o v e r , i ti n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i co fc o n s t a n tp o w e r c o n t r o lc u r r e n t l y a tl a s t ，an o v e lc o n s t a n tp o w e rc o n t r o lh a sb e e np r o v i d e d t h e s ec o n t r o l m e t h o d sa r ea l lv e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s k e y w o r t h ：d i g i t a lc o n t r o l ；x e o nl a m p ；n o - f l i c ks t a r t - u p ；c o n s t a n tp o w e rc o n t r o l 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 近年原油价格急剧上涨，影响了经济的发展，如果石油耗竭，而又缺乏替代 能源，加上过度使用石化能源引起的全球暖化与气候异常现象，对人类文明来说 将是一场浩劫。要解决未来能源危机与环境问题，只有发展新能源与再生能源这 一条道路。在意大利佛罗伦斯举行的国际再生能源会议有项重要的结论是，再生 能源在2 0 3 0 年前对降低二氧化碳排放的贡献度只能达到2 0 左右，而能源节约 却可提供5 0 以上的贡献度。因此推动能源节约或高效率使用能源仍是未来最 重要的政策。照明所消耗的能源极为惊人，尤其是我国，如果将广大国土全面点 亮，所耗的能源以及造成的地球环境伤害，将令人无法想象。因此照明节能将是 最重要的新能源科技【l 1 】。而汽车光源在照明领域中占有及其重要的地位，其产 量占整个光源的1 0 左右，所以如何更好的提高汽车光源的利用效率将是整个 节能方面重要的一个方面【1 2 l 。 第一节汽车头灯发展历史 汽车前照灯的发展史实际上是一部微缩了的科技发展史。任何一次技术进步 都会直接或间接地影响、改变甚至推动汽车前照灯的发展与变革；同时，汽车市 场的不断发展、人们追求舒适和安全的欲望不断升级，将影响和推动汽车前照灯 朝市场需要的方向发展。在汽车前照灯发展过程中，出现过一系列影响重大的技 术变革，成为汽车前照灯发展里程中的里程碑【1 3 】。 白炽灯 当1 8 8 0 年爱迪生和合作伙伴们不眠不休地尝试了1 6 0 0 种耐热材料，做出第 一个白炽灯泡，汽车上才开始有照明的功能。但是，这种传统的白炽灯前照灯有 三个缺点：一是效率低，二是光线容易导致驾驶员疲劳，三是其使用寿命较短， 超过一定时间光线会变暗或灯泡损坏，影响安全使用【1 一。 卤素灯 6 0 年代卤素灯的问世对车灯光源来说具有重要意义。卤素灯的每支灯光由两 浙江大学硕士学位论文 组灯丝组成。一组是主光束灯丝，发出的灯光经灯罩反射镜反射后径直向前射去， 这种光线就是我们所说的“远光”。另一种是偏光束灯丝，发出的光给遮光板挡到 灯罩反射镜子的上半部分，其反射出去的光线都是朝下漫射向地面，不会给对面 来车的驾驶者造成眩晕，这种光源就是我们所说的“近光”。相比白炽灯，它发光 更白，显得更亮而更柔和，不易导致人眼疲劳；再者性能稳定，卤素灯泡在寿命 期内亮度变化很小，不会影响正常使用。即使是今天，卤素灯泡仍在汽车远光灯 中使用。但是其也存在一些缺点，比如光效不够高，发光比较分散等。 3 d 车头灯 现代光电业的蓬勃发展，这几年间一场“照明革命正在风起云涌地发生中， 爱迪生伟大的发明逐渐要谢幕下台了，取而代之的是性能更佳的3 d 车头灯光源。 第一d ： 突破发光原理的hid 汽车前照氙金属卤化物灯是金属卤化物灯和氙灯技术的结合。它是在一个很 小的石英泡壳里填充氙气和少量金属卤化物，以高压脉冲产生弧光放电。创新的 技术明显提高h i d 灯的性能，其亮度是传统卤素灯的3 倍；发出的光色正好是 最白又略带紫蓝色、接近中午日光的颜色，也是人眼最能接受的光色，因此其提 供给驾驶者较好的夜间行驶环境及更广阔的视野空间，降低夜间行车时眼睛的疲 劳程度，提高夜间行车的安全系数。更重要的是，发出这样的光色只需3 5w 的 电力，是卤素灯所需5 5w - - 6 5w 的一半，大幅降低车用电力的负担，达到环保 节能的目的。而且由于没有传统钨丝烧融的情形，寿命长达3 0 0 0 小时，几乎是 卤素灯的1 0 倍。h i d 氙气前照大灯已经成为国际市场上中高档汽车的标准配置， 目前其主要的缺点是价格昂贵。 第二d ：未来照明光源的l ed l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ；发光二极管) 是一种通过外加电压激发电子而放 射出光( 电能一光) 的光电半导体元件。 其不但体积小、寿命长、驱动电压低、 反应速率快、防震特性佳，而且能够配合轻、薄和小型化的应用设备的需求，已 是日常生活中十分普遍的产品。相较于h i d ，l e d 在点亮时不会排放二氧化碳， 耗电量更低，反应速度极快，且寿命长到几乎不需更换，是一个具有环保概念的 技术。虽然许多概念车都有推出l e d 头灯，但其离实际运用仍有段距离。按目前 l e d 的发光效率，要达到汽车氙灯的亮度，则需要较多数量的l e d 组合在一起。 2 浙江大学硕士学位论文 由于l e d 本身所输出的光能只占输入电能约1 0 一1 5 ，所以有8 5 一9 0 输入 电能转换成热能释放。因此如何将这么多的热量及时散发出去是一个很突出的问 题，这也是目前l e d 无法得到实际应用的根本原因。 第三d ：让光源表现更佳光纤照明( d i s t r i b u t i v el i g h t i n g ) 光纤照明( d i s t r i b u t i v el i g h t i n g ) 是另一个令人期待的先进汽车头灯照明技 术。由集光器、光纤组及末端投射装置所组成头灯，一个h i d 光源便可连接多处 发光点，由光纤导引至所需照射的方向，不带热量也不带电，每个灯不再需要灯 泡及反射镜，腾出更大的空间自由度，让设计师可尽情挥洒创意。第一次应用是 飞利浦公司在1 9 9 9 年巴黎车展中所使用于n i s s a nk y x x 概念车上，正式应用在量 产车估计需再等待1 0 年。 表1 ：几种汽车头灯光源的相关特性比较【1 3 】 光源种类卤素灯氙灯白色l e d 灯 光源原理 钨丝电弧放电 光电半导体 色温( k ) 3 0 0 04 0 0 05 0 0 0 - - 7 0 0 0 演色性( c 砒) 1 0 08 08 0 流明输出( 1 m w ) 2 0 2 58 03 0 一5 0 使用寿命( k h r s ) 0 43 02 0 主要厂商众多 p h i l i p s 、o r s a mt o y a t a 、o r s a m 表1 是目前市场上主要的几种汽车头灯光源的相关特性比较。从表中可见， l e d 灯色温高，寿命长，而且其驱动电路简单，启动快等优点势必有较大的发展 前景。但是其一致性，散热性等问题存在，目前甚至在一定时间内还无法达到实 际应用的要求。氤气灯因其功耗低，光色佳，寿命长等优点大大超越了传统的卤 素灯，已经成为各家汽车生产厂商的首选，可以说是第三代汽车头灯光源。 第二节汽车头灯电子镇流器的研究现状 氙灯启动的暂态过程极其复杂，这就给与其配套的电子镇流器系统控制提 出了很大的挑战。 汽车应用领域中，为了应对随时可能发生的突发情况，车灯照明必须有快 3 浙江大学硕十学位论文 速启动的要求。属于高强度气体放电灯，氙灯本身的特性所决定了其从启动到 稳态的建立一般需要很长的一段时间，所以如何实现快速启动是个难点。再者， 快速启动必定要求氙灯有热启动的功能，对于高强度气体放电灯来说，由于灯 管充的氙气属于惰性气体的一种，在空气中它属于绝缘气体，要使其产生放电 必须将其高压击穿。一般冷灯需要上千伏的电压，而热灯由于其内部气体分子 处于高温高压下，要使其电离必须要更多的能量才能将其击穿。一般至少需要 近万伏的高压，如何在短时间内产生近万伏的电压显然是个难点。还有，高压 本身对电子镇流器的绝缘性就有一定的要求，而且高压脉冲的持续时间较短， 其相应的华，罢较大，这会引起较大的e m i 干扰，容易耦合到电路其他元器件 讲d f 中，影响电路稳定工作，如何来降低甚至消除高压脉冲产生的干扰也是个难点， 再者，氙灯从启动到稳态要经过好几个阶段，每个阶段灯的状态差异较大， 这就要求电子镇流器能够根据灯状态的不同，采用相应的控制方法实现其平稳 运行。传统的模拟控制要实现这些控制要求，势必会增加电路的复杂性，提高 成本，显然在这里已不太合适，。数字控制因其控制的灵活性可以实现较精确的 控制，但是高速处理能力的数字芯片成本又相对较高。那怎样的控制方式，或 者什么样的控制电路既能简单有效满足这些控制要求，其成本又不是很高，这 显然是个难点。 在汽车应用场合，最重要的是安全、可靠，这也是氙灯及其电子镇流器设 计中最基本的要求。因此，为了保证在恶劣的汽车应用环境中仍能安全工作， 电子镇流器还需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。如何能简单有效的实现这些功能也是一个难点。 目前这些难点的问题并没有得到很好的解决，而且氙灯本身技术也为几家 大的照明公司所独有，其相应的电子镇流器的设计仍被几家大的照明公司所垄 断，好多关键的技术都没有公开，而且公开的技术好多已被申请了专利。所以目 前市面上的汽车头灯电子镇流器大都体积庞大，设计复杂，成本相对较高，随着 氙灯技术水平的提高，产品价格的下降，在未来的几年里，氙气前照大灯将会逐 步成为中高档轿车的标准配置。在汽车售后维修零售市场，受到氙气前照大灯高 亮度的吸引，用氙气前照大灯替换原先的卤素灯也将成为零售市场热点之一。 4 浙人学硕学位论! 第三节汽车头灯电子镇流器未来的发展趋势 在现代汽车科技日新月异的带动下，汽车头灯己非昔日简单的照明功能；其 设计从早期的组件演化，进一步达到系统的整合，由静态到动态，如图1 1 所示。 由前面汽车头灯的发展历史可知，从1 9 1 3 年的白炽灯泡，到6 0 年代卤素灯，再 到2 0 世纪9 0 年代的气体放电灯，以及未来的l e d ，光纤照明，应该说其发光 强度，光效等各方面性能已经有了长足的发展，但是这些灯光技术的飞跃都是源 于光源的不断进化，其灯光系统基本上静态的。从现在开始，在提升汽车头灯在 静态表现的同时，也将向动态发展【l ”。总的来说，未来几年汽车照明系统将向 多功能化和智能化发展。 例如h e l l a 公司智能化前照灯系统 1 ”，其动态转弯的技术极大的提高了驾车 的安全性和舒适性。它最大的特点是在不同的转弯半径下，该前照灯能够在水平 1 5 0 。之内摆动，这使得转弯时近光灯照亮区域几乎扩大了1 倍，以帮助驾车者 更好更快的适应弯道路况。又如德国公司最近研制开发的一种多功能前灯，突破 了传统前灯近光、远光的划分，其可以按照不同的用途对应给 照明效果，根据 各种传感器探测得来的道路情况、大气情况和本车灯的状态( 如车速、负载等) 等信息，调节整个灯的工作状态及时清洗灯具，保持最佳的照明效果。 所以，未来汽车照明主要趋势是照明的光源流明输出更高，光色更舒适，更 环保，寿命更长。照明系统的功能将会更加强大，也更加智能而且突破光源体 积的限制，汽车整体外形将更具设计感。 艄群- - 豳昏“ 图l i 汽车头灯演进史1 m 踢一 圆m 一 么一。 瞽竺m宙詈 一兰 浙江大学硕士学位论文 第四节本课题意义及主要工作 氙灯具有光效高，光色佳，寿命长等优点，其在性能上大大超越传统的卤钨 灯，越来越受到汽车市场的青睐，但是氙气灯因其较复杂的电气特性，目前使与 其配套的电子镇流器系统设计相对复杂，体积和成本也相应较大。鉴于未来汽车 头灯朝着智能化和多功能化的发展，模拟控制已经无法满足其控制要求了，数字 控制将是未来汽车头灯发展的主要控制技术。目前一些关键技术主要掌握在大的 照明厂家手里，大多数的技术并没有公开，公开的技术好多已被申请了专利，因 此开发高性能，较高稳定性的，具有自主产权的数字控制氙灯电子镇流器系统， 势必具有很高的学术研究及市场价值。 本课题主要工作如下： 1 、介绍了汽车头灯电子镇流器基本的电路结构，并着重对其中的升压变流电路 及点火电路进行了拓扑的选择，通过比较目前具备该功能的几种常用电路拓 扑在电子镇流器应用中各自的特点，择优确定了实施的电路方案。最后根据 汽车头灯控制要求，分析比较现有的几种控制方案的优缺点，确定了能较好 满足氙灯控制要求的控制方案。 2 、根据前面选定的电路方案和控制方案，详细介绍了汽车头灯电子镇流器主电 路的参数设计，在这个基础上对主电路进行了损耗分析，并相应的提出了解 决方法。然后根据氙灯的启动特性，给出了控制方案，并对控制电路中的限 压电路，巴特沃兹滤波器以及斜波补偿电路进行了详细的分析说明及设计。 最后通过实际样机制作，结合波形来论证前面理论分析正确性和参数设计的 合理性。 3 、详细阐述了气体放电原理及弧光放电的特征。在这个基础上，根据金卤灯和 汽车头灯启动的特点，提出了金卤灯以及汽车头灯无闪启动控制方法。接着 通过对现有恒功率控制分析比较，提出了一种新型数字控制的恒功率控制方 案，并通过实验数据，验证了方案的可行性和优越性。 6 浙江大学硕士学位论文 第二章汽车头灯电子镇流器系统分析 第一节汽车头灯电子镇流器的基本结构 为了满足灯在启动过程中各阶段的不同要求，目前汽车头灯电子镇流器一般 有4 个部分组成【2 1 】【2 2 1 ，如图2 1 所示。各部分功能如下： 图2 - 1 ：汽车头灯电子镇流器的基本结构 1 ) 升压变流电路：目前汽车应用场合里，其供电电源为9 - 1 6 伏的铅蓄电池， 而灯正常工作时的电压为8 5 伏，所以必须经过一级升压电路将电压升高。 2 ) 点火电路：氙灯的启动需要几万伏的高压脉冲才能将其击穿放电，因此需要 高压启动电路。 3 ) 全桥逆变电路：为了让灯能够平衡两个电极间的消耗，让灯寿命更长，需要 把升压变流器输出的直流信号转化为交流信号。为了避免声谐振，一般让灯 工作在低频方波状态。逆变电路采用全桥逆变电路来实现。 4 ) 控制电路和保护电路：氙灯具有复杂的启动特性，所以相应的控制电路必须 能够在灯运行过程中较好完成控制任务，使灯管能稳定工作。为了保证电路 能够可靠工作，整个电子镇流器还需要保护电路，通过对电路的实时检测来 确保其安全工作。 2 1 1 升压变流器基本拓扑选择 针对汽车头灯电子镇流器的特点，通常其在结构上可分为二级。第一级为直 流直流变流电路，第二级为直流交流变流电路。通常第二级电路由不控的低频 全桥逆变电路来实现，所以直流直流变流电路将在整个电子镇流器中起到关键 7 浙江大学i 掣位睦j 性的作用，灯电压，电流及功牢的控制将都在这一级来实现，所以整个电路性能 的好坏，效率高低都山这级来决定。山前面分折”r 知，这纽结构首先必定具备 升压功能，其次还应考虑电路的窄载输出电压能力。下面就几种其备战功能电路 拓扑做个简单分析。 b o o s t 变流器 具备升压功能电路拓扑中，b o o s t 变流器是最简竹，培町靠的电路结构，不 光其元器件相对较少，而且控制也相对方便，再肯根据电蹄稳忐分析i - ，知，转r 乜 路工作在较大的占窄比可以满足汽车头灯升压的要求。但是该拓扑中输出：极 管存在的反向恢复问题，而缸灯启动铷期电流柏对较大，所以相应的丌关电爪电 流应山较大，损耗也较人，如图2 - 2 所不。 d o 守一 y d s l d s 创2 - 2 ：b o o s t 电路拓扑及其输山二极管f h 反向恢复情况p 1j 反激式( f l y b a c k ) 变流器 h 前应用最成熟的是反激 i = 变流器。主要是利用反激式变压器的升压比，可 咀减小开关管的电压r 乜流戍力，而且相对元器件较少5 2 ”。 缺点是l i f 于结构的关系，变九、器会有漏感存在，这部分漏感会在丌关导通时 储存能堆，当，r 关关闭时，此能量会转换成高压脉冲损耗在开关管上，这也就是 造成日前反激式变流器效率不高的士要原因。抑制高压脉冲破坏开芙管通常有两 种办法，其一是加r 额外的r c d 缓冲电路，还有一个方法就是采用较高耐h ；的 开关管。但是这些方法还是没能从根本上解决效率较低的问胚，反而带柬了成奉 上升的不利方而。 正激式( f o r w o r d ) 变流器 正微式变流器也具有升压功能，其开关管的电压i 乜流应力也相对较小，而且 在证常工作时其效率还高于反激式变流器。效率高丰要是因为t f 激式变流嚣中 初、次级的电感较大，其耦合系数要比反澈式高，而且l f 激式变流器的变址器不 浙江大学硕士学位论文 需要存储能量，因此变压器磁芯的尺寸可以很小，其效率较高。 但其也存在一定缺点。正激式变流器的空载输出电压能力不如反激式变流器 【2 1 。反激式变流器采用b u r s t - - m o d e 工作模式( 即b u c k 开关工作一次或几个周 期以后长时间保持关断状态，直到输出电容电压下降到设定值) ，很容易达到 3 5 0 v 以上的高压提供给点火电路。相比反激式变流器，同样输出3 5 0 伏以上的 电压，正激式变流器就必须大大增加副边绕组的匝数，这就需要大的窗口面积， 增大了体积，而且过多的副边绕组必将导致变压器铜损的增加，降低效率。更不 利的是这里得到3 5 0 v 电压只是为了满足电路的点火需要，而点火只是一个短暂 过程，正激式变流器为了得到此电压，不得不放弃把设计的最优点放在正常工作 点，这也就失去了其本身效率高的优点。 新型组合变流器 下两图都是利用前面几个相对简单电路拓扑各自优点组合成一个新的电路 拓扑，这种新型的变流器可以说将前面简单电路拓扑优点保留的同时，并很好改 进了各自电路本身的缺点，可以说是较好的提高了电路的特性，见图2 3 ，图2 - 4 。 f 赫 i 寸 j n s l 7 - 、 ! i ! ：n s 2 木 l ld 0 4 i 一 图2 - 3 ：f l y b a e k - f o r w a r d 组合变流烈2 1 1 图2 - 4 b o o s t f l y b a e k 组合变流别2 4 】 但是这种新型组合变流器它们也同样存在问题，就是其电路结构相对复杂， 元器件较多，成本也相应增加等问题。 耦合电感b u c k - - b o o s t 变流器 这个电路针对反激式电路普遍效率不高的情况，提出一个新的无需隔离的电 9 浙江大学硕士学位论文 路结构。如图2 5 所示。这种电路结构具有较高的电压增益。针对反激式电路在 利用有源箝位电路时存在成本相应增加及控制复杂等缺点，这个电路用一个二极 管和电容就可以达到回收漏感的能量，降低开关应力的作用。因此这个变流器的 性能得到了大幅度提升，但是这个电路要实现其精确的控制较困难。 r 图2 5 ：耦合电感的b u c k b o o s t 变流裂2 。5 1 另外，文献【2 。6 l 采用s e p i c 电路作为电子镇流器的d c d c 级，由于电路运行 在电流连续模式，相应的e m i 较小。由于输入电感的存在，其输入电流纹波较 小。但是由于电路运行在低频条件下其电感和变压器体积较大，成本上升。文献 【2 7 】采用c l a s se 谐振逆变电路和半波整流电路作为d c d c 级，高频的谐振变流 器带来电路中电感和变压器体积和重量的减小。整个变流器中只有一个开关管， 而且工作在零电压开通，导致电路效率提高。但是该电路低频方波中叠加了谐振 引起的高频纹波，当纹波幅值较大时会存在声谐振的隐患。 综上所述，考虑汽车头灯电子镇流器的体积，成本，及其控制的难易程度， 选用无源箝位的反激式电路拓扑作为其升压变流器还是比较合适的。 2 1 2 汽车头灯点火电路拓扑选择 由第一章可知，汽车头灯因其应用场合的要求，需要具备热启动功能，这就 电子镇流器输出将近上万伏的点火电压，这就给汽车头灯点火电路设计提出了较 高的要求。一般来说点火电路主要有两种方式，谐振式点火和脉冲式点火【2 。 谐振式点火通过l c 谐振电路来提供较高的谐振电压，这种点火方式一般应用在 点火电压不高的条件下，这个跟其本身电路的特性有关，显然这种点火方式在这 不是很合适。脉冲式点火方式通过点火变压器和附加电路来实现，电路相对复杂， 但是可以提供高压。目前，汽车头灯启动控制方面主要采用的是脉冲式点火方式， 1 0 浙江大学硕士学位论文 而且有以下两种典型的应用。 采用单极电压递升式 单极电压递升式的电路图如图2 - 6 所示，其工作原理如下：由直流输入端通 过电阻对电容充电，当电容上的电压达到气体放电管的击穿电压时，电容上的电 压通过气体放电管对变压器的原边放电，然后通过变压器在副边就可以产生上千 伏，甚至上万伏的高压，从而将高强度气体放电灯雪崩击穿。该电路结构简单， 成本低。由于仅使用一个递升变压器，所以要产生几万伏的高压则需要较高的变 比，势必变压器的体积会较大，铜损相应增加，效率降低，而且点火无规律，不 易控制。 e p c o $ t n 图2 - 6 - 单极电压递升式点火电路 为了减小变压器的体积，还可以采用倍压整流式单极电压递升方式。 倍压整流单极递升点火电路【2 9 1 1 2 1 0 1 ( 在这里暂时称为i 式) 如图2 7 所示。 输入为幅值为v 的交流信号，在实际应用中可以从全桥逆变输出引入。具体的 工作原理如下：当输入电压v 为正( 即上正下负) 时，通过二极管d 1 ，对电容 c 1 充电，当输入电压v 为负时，则通过二极管d 2 ，对c 2 充电。当两个电容上 的电压达到气体放电管的击穿电压时，则电容上的电压、将通过放电管对变压器 原边放电，利用变压器的升压功能，其副边则可以输出上万伏的高压。该电路结 构相对简单，成本低，而且由于其原边的电压是输入电压峰值的两倍，所以同样 要产生几万伏的高压其变压器的匝比可以比上面单极电压递升式的少一倍，这样 其副边的线阻较小，相应的损耗较小，同时变压器的体积可以做的更小。唯一不 足就是其气体放电管的耐压会比单极电压递升式大一倍，而且点火无时序，也不 易控制。 浙江大学硕士学位论文 p n zd 1 = c 1 一 一 c 2 zd 2 二= c 1睨 e p c o s i州 一 十 i 十 托 一 (丰c 2 r l 3 们 l 图2 7 ：i 式倍压整流式单极递升点火电路图2 - 8 ：i i 式倍压整流式单极递升点火电路 另一个倍压整流单极递升点火电路【2 1 1 】【2 1 2 1 ( 在这里暂时称为i i 式) 如图2 8 所示，输入也是幅值为v 的交流信号。其具体工作原理如下：当输入为负电压 ( 即下正上负) 时，二极管d 1 导通，d 2 关断，电压对电容c l 充电，充至其电 压为v 。当输入为正电压时，二极管d 1 关断，d 2 导通，电容c l 放电，电容 c 2 充电。当电容c 2 上的电压达到气体放电管的击穿电压时，则其将通过放电管 对变压器原边放电，由此副边可以获得所需的高压。 该电路特点是：与前面倍压整流电路相比，两者在变压器原边输出的电压都 是输入电压的两倍，这样可以大大缩小点火变压器的体积，提高效率。但是两者 最大的不同在于，前者的储能由两个电容串联后决定，其有效电容值小于其中任 何一个电容，这使得电容的利用率下降。再者前者电容储能放电没有一定的时序 性，导致点火不能最优化，不易控制。而后者主要的储能元件是c 2 ，而且放电 一定发生在电容c 2 充电的过程中，这个对点火时序的控制有一定的好处。 二级式电压递升电路1 2 1 3 1 此电路如图2 - 9 所示，首先直流电压通过电阻对电容c l 充电。当电容上电 压充到s 1 的击穿电压时，电容通过s l ，向变压器的原边放电，副边产生较大的 电压，使二极管d 导通，由于气体放电管s 2 的击穿电压较高，所以只有经过开 关管s l 的多次开通关断，电容c 2 才能充电到足够高的电压将s 2 导通。当开关 管s 2 开通时，电容c 2 上的电压通过开关管s 2 对变压器t 2 放电、变压器副边 感应出灯启动时所需要的电压，击穿灯管。该电路由于使用二个递升变压器，要 得到同样的电压输出，其每一级的升压相比单极式的要小很多，所以相应的匝比 也较小，变压器的体积很小。但是作为开关管s 2 的高压放电管的耐压耐流要求 较高，第二级的电容的电压应力较大，因此其寿命较短。而且这种二级式的电路 元器件较多，损耗也较大，成本较高。 1 2 浙江大学硕士学位论文 1 ：n l1 ：n 2 图2 - 9 ：二级式电压递升点火电路 综上所述：从体积，效率上考虑，采用i i 式倍压整流单极电压递升会是比 较理想的选择。 第二节汽车头灯电子镇流器控制方法 根据汽车具体应用场合，v e d i l i s 计划对氙灯在启动过程中的光输出特性做了 严格的要求，如图2 1 0 所示。但是在实际设计中考虑到电子镇流器的具体设计， 一般要求灯在l s 内达到正常输出的2 0 ，而在4 s 内能达到正常光输出的8 0 。 根据各个阶段发光效率，可以得到要达到上述光输出特性的灯电压一灯电流以及 灯功率一灯电压曲线分别如图2 1 1 和图2 1 2 所示，其中图2 1 1 就是v e d i l i s 控 制曲线刚。 藿 8 雪 l l 蛔h t o u t p u t i 一s a es p e c ( l o w ) i 二：二：! i 苎墨! 巳曼璺：i 蔓! 鱼h 1 ，一 7 灯电流额定值 4 0 0 m a 稳态灯电压额定值8 5 v ( 6 8 一1 0 2 v ) 灯电流频率7 0 1 0 0 0 h z 电流过零斜率 】0 0 m a mr a i n 总效率 8 0 在设计电路前，首先应以效率作为第一考虑因素，然后所有器件的选取都要 确保其在最恶劣的工作情况都能正常工作为前提。 第二节主电路设计 反激式变流器有三种工作模式：连续，临界连续和断续模式。在这里我们选 择连续的工作模式。这个主要是由反激式变流器的开环外特性决定，如图3 2 所 示。图中将u i 平面分为连续和断续的两个区域，虚线以左为d c m 区域，由 图中可见其特性刚度很差，负载电流变化时所引起占空比调节范围很大，因此对 于带高强度气体放电灯的负载，系统不太容易稳定，所以d c m 模式不太合适。 虚线以右为c c m 区域，其输出电压与负载电流无关。此外，在断续模式下虽然 输入电感值很小，而且开关管可以实现零电流开通，但是由于本身输入电压很小， 所以开关管上电流应力会很大。 ： i d = 0 8 小 八 c c m d = 0 7 芪k d = 0 6 f t ( n = n4 j j j d=n l 234 5 t o i o c m 图3 - 2 反激式交流器的开环外特性【3 1 1 1 9 浙江大学硕士学位论文 主要的技术参数为： 虼= 1 2 v ，圪，m i n2 吣，圪，一= 1 6 v , v o = 8 5 v ，圪劬= 2 9 v ，l ，眦= 2 6 a ，i o = 0 4 2 a ， z = 1 0 0 k h z ，r = o 8 5 ，= 3 5 w ，v o 一= 7 0 w ，= i v 其中：为输入电压；v o 为输出电压；i o 为输出电流；z 为开关频率；7 7 为效率；输 出功率；圪为二极管的导通电压 3 2 1 变压器的设计 变压器匝比的设计 开关管的漏源两端电压的最大值发生在电路空载时，即电路输出稳定的开路 电压时。这时其两端的电压表达式如下式所示： k = g i n , m 。 1 一号半( 3 - - 1 ) 式中：开关管的漏源两端的电压的最大值一般是不能超过开关管的电压应力 的9 0 1 3 2 1 。在具体的设计时，采用电压应力为1 0 0 v 的管子，则圪一- - 9 0 v 电路输出稳定的空载电压是保证足够的点火电压，因此其具体的值一般由点 火电路来确定。在此次设计中，取圪一= 4 0 0 v 由于变压器原边漏感的存在，当开关管关断时，漏感的能量向管子释放，其 漏极就会产生过冲电压y ，一般取v = 1 2 v 将上述参数代入式( 3 - - 1 ) ，可得匝比：n = 6 占空比的确定 在电感电流连续模式下，单端反激式电路的输入输出电压的关系式为： v ：竺：匕：望 o ld(3-2) 根据额定输出电压v o = 8 5 v ，由此可计算稳态工作时占空比为：d = 0 5 6 原边电感电流峰值的计算 在稳态工作时，根据输入功率计算相应的输入电流平均值为： k = 翳以4 3 彳( 3 - - 3 ) 浙江大学硕士学位论文 根据输入电流的特点，可以计算在开关导通时其电流平均值为： k 一硼= j d a v a = 6 1 2 3 彳( 3 - - 4 ) 假设电感电流的纹波为8 a ，即= 8 么，则变压器原边电感电流峰值为： i p _ p t r ：i a v t _ o n + 了a i = 1 0 1 2 3 4 ( 3 5 ) jn 其电流的有效值为： 一。= i p _ p t * 詈= 4 3 7 5 a 原边电感的计算 当开关管开通时，变压器的原边激磁电感电流上升，其表达式如下式所示： o 等= 圪 c 3 卅 额定运行时，开关管的导通时问为：a t ：_ d ：5 6 驸 ( 3 7 ) 1s 由此可得，变压器的原边电感量：三。= 8 4 0 7 u h 反激式变压器磁芯的选择 在汽车头灯电子镇流器的应用中，由于其输入电压较低，而相应的其原边的 输入电流较大，因此原边电感的绕制往往需要采用较粗的线径或者多股并绕的方 法，这样就要求磁芯上有较大的切口，以方便尺寸较大或者多股的绕线进出线圈。 此外，还要具备良好的散热性能。 基于上述考虑，我们选用r m 形的磁芯。r m 形磁芯是一种界于罐状磁芯和 e e 形磁芯之间的磁心。同罐状磁芯相比，其切口更大，更适合较大尺寸绕线引 入导出，而且磁芯的散热条件比罐状要好。e e 形的磁芯虽然其没有像罐状磁芯 那样限制绕线的引进导出的狭窄缺口。但是由于这类磁芯的线圈并没有完全被铁 氧体包围，所以它会产生较大的e m i - - r f i 磁场5 1 1 3 , 3 1 1 3 4 1 1 3 1 5 1 1 3 6 1 。 在这个应用中，反激式变流器输入输出及其功率变化很大。因此在具体的设 计中，首先考虑在这个宽范围的变化过程中保证变压器的不饱和。所以在具体设 计变压器的匝数时要从电路最极端的情况下来着手。此时已知条件如下： 圪岫= 9 v ，圪。m i n = 3 5 v ，l ，m 瓤= 2 6 a ，z = 1 0 0 k h z ，r = o 8 5 ，。嘣= 7 0 w ， 屹= i v 2 l 浙江大学硕上学位论文 由前面的式( 3 - - 2 ) 、( 3 - - 3 ) 、( 3 - - 4 ) 分别可以求出： 相应的占空比： 仇= o 4 1 2 ( 3 8 ) 开关导通时的输入电流平均值： k 硼w = 2 3 8 1 a ( 3 9 ) 根据由前面得出的原边电感量，可得其在最恶劣情况下电感电流的纹波为： 虬= 警 由此可得：碱- - 4 4 0 8 , 4 , 电感电流的峰值为：一，：a v e 一一+ a ，= 2 6 0 1 4 a ( 3 一l o ) 其电流的有效值为： r m lw = k 一。事扩 = 9 6 3 8 a ( 3 - - 1 1 ) 采用a p 法来选择磁芯大小。通过计算磁心窗口面积a w 与磁心有效的截面 积a e 的乘积a p ，来确定所需磁芯的大小。 假设原边绕组磁芯所占的么值表示为 牛竺等芦c 们( 3 - - 1 2 ) 其中，以表示原边绕线的直径( 其单位为英寸) 。假设电流的密度为，= 4 a m m 2 ， 原边导线直径为： 铲除- 1 7 5 l ( 胁) ( 3 - - 1 3 ) 汽车头灯有热启动的要求，一般磁芯元器件在高温下其饱和磁感应强度会有 所下降。常温下，铁氧体的饱和磁感应强度为0 5 t 左右，但在高温下，会下降 到只有0 4 t 附近。所以，为了保证热启动时磁性不饱和，取衄= 0 3 t = 3 0 0 0 g s 代入数值后，可以得到：么只= 0 2 1 9 c m 4 ； 根据前面的匝比，我们可以看到副边的匝数远远多于原边，但是由于副边流 过的相应电流较小，所以其线径较小。一般估计4 只为a p 的( 1 2 - 1 3 ) 左右， 取彳p = 3 4 乞= o 6 3 7 ，可得：a p = 3 彳0 = o 6 3 7 。 浙江大学硕士学位论文 对照t d k 产品目录可查出p c 4 0 材质的r m l 0 磁芯其a p - - 0 6 8 1 l o 6 3 7 ，选 取此型号的磁芯与线圈骨架较为合适。 原副边匝数的确定 根据磁路原理，匝数可由以下公式计算： 以= 酱( 3 - - 1 4 ) 由前面手册中还可以查到，r m l 0 型号磁芯其有效的截面积；4 = 9 8 1 0 6 聊所2 。 因此可得原边匝数为：。= 7 4 根据变压器匝比可求得副边匝数：札= n + 。= 4 0 9 气隙的计算 在反激式变流器中，当初级流过电流时，没有电流流过次级绕组来抵消初级 安匝，所以，变压器的原边的安匝数很容易使磁芯饱和。通常的做法是给磁芯加 气隙。当磁芯中加入气隙，其磁化曲线将向h 轴倾斜，从而大大提高了饱和的 安匝数，也即是可工作的磁感应强度明显增大。再者，从储能的角度来说，磁性 介质储能密度的公式是i 8 2 ，引入气隙后，由于气隙的磁导率远远小于磁芯的磁 己 i 导率，所以其等效的磁导率下降了，因此磁芯可以存储更多的能量，而且能量大 部分集中在气隙所占的空间上了。 变压器气隙长度l g 为：l g = 4 7 r * 1 0 - 7 * n p 2 , 争= o 8 m m ( 3 一1 5 ) 线圈的设计 受集肤效应和邻近效应的影响，在高频工作下反激式变压器线圈的铜损往往 会比低频下工作的大大增加【3 。3 】【3 - 6 】。因此，为了提高效率，必须对变压器的线圈 设计做慎重的考虑。 当导体流过高频电流时，导体中会感应出涡流，正是涡流的存在，使得主电 流与其之和在导线表面加强，越向导线中心越弱，电流趋向于导体表面。这就是 集肤效应。其造成的直接影响是导线的有效截面积减小而电阻加大。在选择导线 尺寸时，需要考虑此集肤效应带来的导通面积的损失，工程上一般用集肤深度来 浙江大学硕士学位论文 衡量。为了减小集肤效应带来的损耗，可以采用多股细线并绕或者采用铜箔的方 法来替代同样截面积的单股导线，这就可以增加导线传导的有效面积。 频率为1 0 0 k h z 下，查表可知在温度2 0 。c 下，铜导线的穿透深度为 0 2 0 8 9 m m ，温度为1 0 0 。c 下其穿透深度为0 2 4 2 m m 。由此可见，最好采用0 2 2 r a m 线径导线绕制。 受邻近效应的影响，相邻线圈层问的电流只在相邻的内侧表面流通，使导体 有效截面积显著减小，而且其所产生的涡流的大小会随着层数的增加呈指数规律 递增，其影响甚至比集肤效应更为严重，损耗更大