数字化大功率金卤灯电子镇流器的研究与设计.doc

毕业论文智能数字化大功率金卤灯电子镇流器的研究与设计Research And Design On Digital Electronic Ballast For High Wattage Metal Halide Lamps智能数字化大功率金卤灯电子镇流器的研究与设计摘要 金属卤化物灯因其光效好、显色性好、寿命长等优点，已经在照明领域取得广泛应用。大功率金属卤化物灯，则越来越被广泛应用于体育场馆、厂房车间等需要大范围照明的场合。金属卤化物灯由于其负阻特性，需要配合镇流器才能够正常工作，而目前传统的电感镇流器仍然占领着大部分的国内市场。电感镇流器体积大、重量沉、谐波含量高、噪音大、功率因数低，大量使用会对电能质量和用电环境带来比较严重的影响。本文研究的数字化电子镇流器采用了包括有源功率因数校正电路和全桥逆变LCC谐振电路组成的两级式结构，并使用Freescale公司生产的8位单片机作为控制核心，以方便地实现启动、稳态工作、故障保护等各项功能。电子镇流器的出现则改变了这一现状，本文对数字化大功率金属卤化物灯电子镇流器进行了较为深入的分析和研究。关键字 金卤灯；电子镇流器；有源功率因数校正；Research And Design On Digital Electronic Ballast For High Wattage Metal Halide LampsAbstract Metal halide lamps have wide application in the field of lighting,because of their high efficacy,good color rendition,long life and other advantages.High wattage metal halide lamps are widely used in gyms,plant workshops and other large-scale lighting places.Because of its negative V-I characteristics,metal halide lamp has to work with ballast,and the electromagnetic ballast is still widely used.Electromagnetic ballast has many disadvantages such as its large size,heavy weight,low power factor and high THD.The electric power quality and environment are deteriorated by the extensive use of electromagnetic ballast. An active power factor correction(APFC)circuit and a full-bridge inverter with LCC resonant circuit are adopted as the electronic ballast main topology.Also,a 8-bit FreescaleMCU is used as the core of electronic ballast in order to make the ignition,power control and failure protection more convenient. Keywords Metal halide lamp electronic ballast APFC;目 录第一章 绪论11.1课题背景11.2电子镇流器相关技术简介21.2.1常用电光源的分类21.2.2金属卤化物灯的发光机理及分类31.2.3金属卤化物灯的基本电气特性41.3电子镇流器技术的发展和国内外研究现状41.3.1镇流器的工作原理41.3.2电感镇流器的局限性51.3.3电子镇流器技术的起源和发展方向61.3.4国内外电子镇流器技术研究现状71.4本课题的主要研究内容8第二章 大功率金属卤化灯电子镇流器的系统结构92.1大功率金属卤化物灯电子镇流器的系统结构92.2有源功率因数校正电路102.2.1临界导电模式功率因数校正电路的原理分析102.2.2工作原理分析112.3桥式逆变电路和负载谐振电路112.4数字控制器设计142.4.1数字控制器硬件电路设计152.4.2数字控制器软件程序设计152.5本章小结16第三章 大功率金卤灯启动及恒功率控制策略的研究173.1引言173.2全桥LCC串并联谐振电路分析173.3大功率金属卤化物灯启动方式的研究213.4大功率金卤灯过渡过程分段控制思想233.5全桥逆变电路保护策略的研究243.6本章小结25第四章 1000W 金卤灯电子镇流器设计264.1引言264.2 LCC负载谐振电路参数设计264.2.1理论计算264.3辅助控制电源设计284.4输入冲击电流抑制电路294.5系统软件设计304.6本章小结32结 论33致 谢 语34参考文献35V第一章 绪 论1.1课题背景“绿色照明（Green Lights）”这一概念最早由美国国家环保局（EPA）于1991年提出并开始实施，是美国国家环保局主办的一个自愿性质的项目，参与者可以在保持照明质量的同时大幅度减少用于照明的支出，用于此目的的投资年回报可以高达30%以上1。美国、英国、法国、日本等发达国家和一些发展中国家先后制定了绿色照明计划，并取得了明显的效果2。事实上，照明的质量和水平已成为衡量社会现代化和人类社会可持续发展的一个重要标志。由于高频交流电子镇流器的节能和巨大的市场潜力，进入20世纪90年代后，各种负阻性气体放电灯用高频电子镇流器不断涌现，形成了一个“绿色照明”的新兴产业。1995年4月，我国国务院草拟了节约能源法，5月正式提交人大常委会审议，同年又由原国家经贸委牵头，由国家计委、国家科委、电力部、电子工业部、建设部、轻工业总会等有关单位领导组成领导班子，并由中国节能协会、中国照明电器学会、中国照明协会、国家计委能源研究所、清华大学、北京电光源研究所等单位组成专家组，正式开始了中国绿色照明工程的筹划工作，并首先在广东、上海由建设部组织试点3。“中国绿色照明工程”主要包括以下内容：制定我国的“绿色照明”法规、条例；采用发光效率高、光色好、寿命长、安全和性能稳定的电光源；采用自身功耗小、噪声低，对环境和人身无污染的灯具电器附件采用光能利用率高、耐久性好、安全美观的照明灯具；采用传输率高、使用寿命长、电能损耗低、安全可靠的配电材料和节能的调光控制设备等。绿色照明是指通过科学的照明设计,采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品(电光源、灯用电器附件、灯具、配线材料,以及调光控制和控光器件),改善人们工作、学习、生活的条件,从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现代文明的照明4。金属卤化物灯（以下简称金卤灯）由于光效高、光色好、节能等特点，成为绿色照明工程的首选产品。据有关资料表明，2000年全国金卤灯的年产量352.25万只。2001年全国金卤灯生产企业近30家，总产量已达834.8万只。截至目前，国内已经从美国完整地引进了8条金卤灯生产线，还有许多厂家引进内胆封装。总体来说，金卤灯市场需求大于供应5。但是，传统的低效、高能耗工频电感镇流器仍旧占领着绝大部分的市场份额，一些科研单位和公司推出的金卤灯电子镇流器还不能满足实际需要，它们大都采用复杂的纯硬件电路，成本高，可靠性差，并且功能单一。因此，金卤灯电子镇流器的研究是当前电子镇流器研究的热点之一。随着微电子技术和计算机技术的不断发展，特别是近几年来低成本单片机的广泛应用6-8，电子镇流器技术也逐渐走向数字化。采用新型低成本单片机为控制核心的电子镇流器不仅可以通过软件简化硬件电路设计，同时也为满足现代高质量的照明要求提供了可能9,10。1.2电子镇流器相关技术简介自从爱迪生发明电灯泡，世界从此进入了一个光明的时代。随着科学技术的发展，电光源新产品层出不穷。而对于气体放电灯来说，不论是低压气体放电灯还是高强度气体放电灯，都离不开一种电器装置镇流器。因此，研究电光源和镇流器的相关技术是本课题不可或缺的内容。1.2.1常用电光源的分类凡可以将其他形式的能量转换为光能，从而提供光通量的设备、器具统称为光源；而其中可以将电能转换为光能，从而提供光通量的设备、器具则称为电光源。常用的电光源有：热致发光电光源（如白炽灯等）；气体放电发光电光源（如荧光灯、汞灯、钠灯、金卤灯等）；固体发光电光源（如LED和场制发光器件等）。常用电光源分类如图1-1所示11。利用热致发光原理制成的电光源制作简单、成本低，但是发光效率低，其余的能量则以热的形式消耗掉。而荧光灯（Florescent）、高强度气体放电灯（HID）等气体放电发光器件的发光效率比热辐射电光源就要高很多，它们的发光效率为普通白炽灯的数十倍，一般情况下，可以逐步用发光效率高的气体放电电光源替代热辐射电光源。由于气体放电灯在灯的发光效率和工作寿命方面具有白炽灯无可比拟的优势，因此，从它诞生之日起就一直受到人们的广泛关注，由此派生的产品可谓异彩纷呈。气体放电电光源，主要是指弧光放电电光源和辉光放电电光源。弧光放电电光源又可分为低气压放电电光源和高强度气体放电电光源。图1-1电光源的分类Fig.1-1 Classification of light source低气压气体放电电光源以荧光灯、低压钠灯为代表；高强度气体放电电光源以高压水银荧光灯、高压钠灯和金卤灯为代表。其中，金卤灯具有发光效率高、显色性好、功率大等特点，适用于剧院、总装车间、体育场馆等大面积照明场所应用。近些年来，许多其他类型的新型电光源在不断的产生和发展，如准分子光源、微波光源以及固体光源（如LED）等。而固体发光光源，如发光二极管、等离子体发光器件等，它们的发光效率高，但是目前还不能实现大功率，所以固体发光器件要进入大规模实用阶段还有一段距离。但是半导体发光二极管这种电光源由于其显著的优点，被公认为是21世纪最有前途的电光源。1.2.2金属卤化物灯的发光机理及分类气体放电所需要的能量是通过电子从外电场获得的。这些自由电子首先被外电场加速并与气体原子发生弹性和非弹性碰撞。弹性碰撞会引起电弧管内气体温度逐渐升高，而非弹性碰撞产生进一步的激发和电离。当受激原子返回基态时，所吸收的能量以辐射发光的形式释放出来。自由电子不断地被外电场加速，上述过程就不断的在电弧管内进行。电子与气体原子碰撞的同时也限制了电子流动，因此也就决定了气体放电灯电流的大小。实际应用中，电弧管内充有多种气体成份。而参与放电的每一种气体都发挥着各自的重要角色。虽然金卤灯的品种很多，但按其光谱特性大致可分为以下四种：一是选择几种发出强线光谱的金属的碘化物，把它们加在一起，得到白色的光源，最典型的例子就是碘化钠碘化轮被化铟灯。二是利用在可见区能发射大量密集线光谱的金属，得到类似于日光的白光碘化锅碘化铅灯就是其典型的例子。三是利用高气压的金属蒸汽放电或利用分子发光产生连续辐射获得日光色的光，超高压铟灯和氯化锡灯都属于这一类。四是利用具有很强的共振辐射的金属产生色纯度很高的光，例如碘化铊汞灯能发出绿光。在以上大四类中，前三类用于照明，大部分用作一般照明（如街道照明，室内照明，车间照明等），也有一部分用于特殊照明。1.2.3金属卤化物灯的基本电气特性金属卤化物灯电弧放电是一个非常复杂的物理过程。对于电路设计者来说，最关心的是金属卤化物灯在电源驱动下，所表现出的基本电气特性：1、启动特性：大功率的金属卤化物灯在利用谐振电压方式点灯的情况下，启动电压一般不超过2kV，而带有辅助电极的金属卤化物灯的启动电压更低。2、负阻特性：大部分的气体电光源呈现灯电压随灯电流增加而非线性下降的趋势，即负阻特性12,13。具有负阻特性的金属卤化物灯是不能单独工作的，必须和电子镇流器一起工作才能稳定。1.3电子镇流器技术的发展和国内外研究现状1.3.1镇流器的工作原理由于气体放电灯(如荧光灯、金卤灯等)是一种具有如图1-2a)所示V-I特性的负阻性电光源，即V/I为负值，从图中可以看出，当灯电流上升时，灯管的工作电压下降，但是供电电压不会下降，多出的这点电压加到灯管后会使灯电流进一步上升，如此循环，最终烧坏灯管或者灯管熄灭1。所以要使灯管正常工作，必须在放电灯回路中串入适当正阻抗元件，用以限制和稳定灯电流，这个限流装置叫做镇流器，如图1-3所示。显然在交流运转状态下，最佳正阻抗元件是电感器，这就是在工频工作状态下为什么大部分镇流器均采用电感的原因。目前气体放电灯常用的镇流器有两种：电感式镇流器和高频交流电子镇流器。由于电感式镇流器工作在工频市电频率，体积大、笨重，还需消耗大量铜和硅钢等金属材料，散热困难、工作效率低、灯发光有频闪，所以现在一些电光源界的科技工作者纷纷寻找新的镇流方法，而高频交流电子镇流器就是一种有效方法。镇流电路的工作特性曲线如图1-2所示。a)气体放电灯的负阻特性曲线 b)镇流电路工作特性曲线图1-2气体放电灯和镇流电路伏安特性曲线Fig.1-2 V-I characteristics of HID lamp and ballast circuit图1-3镇流电路原理图Fig.1-3 Basic diagram of ballast circuit1.3.2电感镇流器的局限性为了减小镇流元件中的能量损耗，一般将气体放电灯设计在交流电源下工作，并采用不消耗有功功率的电抗性元件电感做镇流器。虽然电感镇流器具有寿命长、可靠性高等显著优点，但是采用电感镇流器的照明系统不可避免的具有下述几个固有缺点。1、功率因数低。采用电感镇流器的照明系统功率因数一般仅为0.4左右，这种照明系统的大量使用增加了电网的无功负担，破坏了电能质量和用电环境14,15，与“绿色照明”的趋势背道而驰。2、重量大、损耗大、噪音大和频闪。交流供电系统的频率只有几十赫兹，所以以电感等无源元件构成的镇流器在工频下要起到有效的限流效果就要有较大的元件标称值，同时也会有较大的重量。而且在工频下交流电感产生的电磁振荡是人耳可以听到的，这就形成了电感式镇流器特有的工频噪声和工频闪烁问题。3、功率稳定性差且功能单一。当电网电压和灯特性变化时，功率变化大，会加速灯管老化，影响照明效果。而且电感式镇流器缺少必要的故障保护功能，很难实现智能化管理。1.3.3电子镇流器技术的起源和发展方向针对电感镇流器存在的这些弊端，早在20世纪50年代就有人开始对其进行研究改进，并提出了采用电子镇流器的设想。1963年Roddam在晶体管变流器与换能器一书中首次发表了荧光灯交流电子镇流器具体电路，并进行了详细的分析和讨论，只是由于当时没有可供选择的功率开关晶体管，Roddam的设计方案并未得到实施。在20世纪70年代出现的世界性能源危机，导致了许多公司致力于新型节能电光源及荧光灯交流电子镇流器的研究。半导体技术的日新月异的飞速发展，促进了各种作为开关使用的高电压功率器件不断出现，为交流电子镇流器的产生提供了前提条件。荷兰飞利浦等公司率先研制成功了荧光灯交流电子镇流器，这是照明电器发展史上的一项重大创新。最初的电子镇流器研究只是基于这样一种简单的设想：提高镇流器中“镇流”元件的工作频率，就可以在镇流电感阻抗相同的情况下大大减小电感的标称值，从而大大减小电感的体积，消除工频工作时的噪声和频闪。同时，气体放电灯在较高的频率下工作会有更高的光效（普通直管型荧光灯可以提高10%20%）。其基本结构如图1-4所示16。图1-4电子镇流器基本结构框图Fig.1-4 Basic diagram of electronic ballast当今的金属卤化物灯电子镇流器技术从本质上仍然体现着“高频化”这一思想，只是随着相关学科的不断发展，在实现形式和研究深度上都有了很大的进步。目前，电子镇流器技术研究主要是围绕提高照明质量、改善照明环境、减少电力污染等几个方面展开的，并突出的表现在以下几个方面：1、高性能的专用集成控制芯片、新型功率器件的出现加快了电子镇流器集成化、高能量密度和高可靠性的进程。随着微电子技术的进步，高性能的电子镇流器专用集成控制芯片和新型的功率开关器件已成为国际上几家主要的半导体生产厂家致力研究与推广的重要产品。各知名公司开发的有源功率因数校正(APFC)芯片使电子镇流器的性能大幅度提高。这些功能不一的芯片不仅具有PFC的控制功能，还发展到集PFC与镇流器驱动、控制和各种保护于一体，从而使电子镇流器电路得到简化。新型功率器件(POWERMOSFET、IGBT等)在开关速度、开关损耗、单管容量等关键问题上近年都有突破性进展。2、电工理论及自动控制领域中出现的新型拓扑结构和控制方法提高了电子镇流器的整机性能。近年来国际上有关功率电子学、功率电子线路拓扑结构的研究成果和论文在国际学术会议、重要学术期刊中和科技动态报道中占了很大的比例。这些新结构、新方法对于电子镇流器这样的应用研究所造成的影响与冲击的意义重大而深刻。3、大功率电子镇流器技术的研究深入发展17,18。在低压荧光灯用电子镇流器研制成功的基础上，各国的电子镇流器设计者正致力于研制适合高强度放电灯的高性能电子镇流器，以解决当前采用大电感镇流器的高强度气体放电灯照明系统存在的诸多缺点。4、微控制器技术的成熟使电子镇流器数字化实现成为可能。随着微控制器在电力电子系统（如电机驱动、不间断电源和各种DCDC变换器等）中的应用日趋广泛，开发基于微控制器的数字电子镇流器成为必然的选择。5、网络技术的发展让现代照明行业进入了智能管理时代19。随着经济的发展和科技的进步，人们对照明的节能和科学管理提出了更高的要求，使得照明控制在智能化领域的地位越来越重要。智能照明控制系统可以实现良好的节能效果，延长灯泡使用寿命；改善工作环境，提高工作效率；实现多种照明效果；提高管理水平。1.3.4国内外电子镇流器技术研究现状目前，世界上一些著名的大专院校、科研院所、公司都投入了较大的力量进行电子镇流器的科研开发和生产。如美国弗吉尼亚大学功率电子研究中心（VPEC）李泽元教授领导的科研中心每年都有相关论文和实验报告在IEEE功率电子学学刊刊出，并提出了如高频能量反馈、采用电荷泵功率因数校正的电子镇流器等概念，美国加州理工大学（UCT）的S.CUK教授关于单级高功率因数电子镇流器，西班牙、巴西、我国台湾和香港地区的一些著名高等院校、科研院所、公司都投入了很多高水平的科研人员、实验室进行科研开发1。国内的一些著名科研院所和大学也投入了较大力量进行相关的研究，并取得了一定的成果。如哈尔滨工业大学徐殿国教授的照明电子学课题组开发的基于Freescale八位单片机的250W、400W和600W数字化电子镇流器，以及基于GSM和电力线载波通信技术的数字镇流器智能化远程监控管理系统；南京大学的罗繁等开发的基于PIC16C711的荧光灯智能电子镇流器20；浙江大学博士后曹萧洪开发了基于Atiny15L单片机的150W金卤灯电子镇流器21，等等。客观来讲，国内数字化电子镇流器的研发工作仍处在初始阶段。由于电子镇流器要求体积小、造价低，并且对电磁辐射干扰、输入功率因数、波峰因数、可靠性等技术指标要求严格，所以要做出一个满足高性能、低价格、体积小、低电磁辐射干扰、使用安全可靠等要求的电子镇流器并非易事。电子镇流器是一个涉及电路拓扑、高频电子变换、谐振开关(ZVS、ZCS)、功率因数校正(PFC)、电磁干扰抑制(EMC、EMI)、电光源器件等电力电子技术方方面面的电子产品。同时，如何测量高频电子镇流器的技术参数，如功率、高频谐波成分、效率、电磁辐射干扰等，也是电子镇流器的研究热点。1.4本课题的主要研究内容本文的研究内容主要包括以下几点。1、数字化大功率金属卤化物灯电子镇流器系统的研究。拟采用以低成本单片机为控制核心的硬件电路方案，对大功率金属卤化物灯电子镇流器技术的数字化实现方案进行研究，使电子镇流器更好地适应大功率金属卤化物灯自身特点，满足绿色照明的发展要求。2、大功率电子镇流器输入有源功率因数校正电路的设计与实现。功率因数校正的手段有无源和有源两种，在中、大功率的场合主要采用有源功率因数校正。有源功率因数校正是在整流器和负载之间接入一个DC/DC(直流/直流)开关变换器，应用反馈技术，使输入端电流波形跟踪交流输入正弦电压波形，可以使输入电流接近正弦，从而使输入端THD(总谐波含量)小于15%，功率因数可以提高到0.99或更高。3、基于全桥逆变LCC负载串并联谐振电路的大功率金属卤化物灯启动技术的研究。由于大功率金属卤化物灯的灯端电压较高，在直流母线电压恒为400V的情况下，必须采用全桥的逆变电路拓扑结构才能得到等稳态工作所需要的电压。金属卤化物灯的可靠启动也是一个课题研究的一个重要内容，本文采用了一种自适应滑频软启动的方案，在一定程度上减少了对灯的冲击损坏，对串并联负载谐振电路滑频启动的理论依据和数字化实现方法进行了深入的研究。4、金属卤化物灯恒功率控制策略的研究。鉴于不同厂家生产的金属卤化物灯参数的离散性很大，会直接导致稳态功率的不同，从而造成色温变化，影响照明效果，缩短使用寿命。本文主要采用平均有功功率控制的方式来对其过渡和稳态进行控制。第二章 大功率金属卤化灯电子镇流器的系统结构本课题的目的是要研究和设计一款应用于大功率金属卤化物灯的智能数字化电子镇流器，因此在研究控制对象大功率金属卤化物灯的特性的基础上，考虑到整个系统要实现的功能，并参考了小功率气体放电灯电子镇流器的设计经验来设计整个系统的结构和选择各个部分的电路拓扑。本章将详细论述智能数字化大功率金属卤化物灯电子镇流器的系统结构和基本工作原理。2.1大功率金属卤化物灯电子镇流器的系统结构在实验室研发电子镇流器的过程中，经历了从小功率到大功率，从纯硬件电路的模拟电子镇流器到以数字控制器为核心的智能数字化电子镇流器的历程。纯硬件的模拟电子镇流器结构框图如图2-1所示，智能数字化电子镇流器的结构框图如图2-2所示16。图2-1模拟电子镇流器系统框图Fig.2-1 Typical block diagram of conventional electronic ballast纯硬件的模拟电子镇流器一般采用PWM芯片来提供高频驱动信号，结构比较简单，没有复杂的软件程序，相应的，功能也较为单一，可扩展性较差；而智能数字化电子镇流器采用了单片机作为控制核心，采用软件程序控制整个系统的功能，具有完善的保护功能，还能提供通信接口，为实现照明系统的智能化管理提供了可能。完善的数字化镇流器硬件组成包括EMI滤波电路、整流及功率因数校正电路、高频逆变器、LCC串并联谐振电路和以单片机为核心的数字控制电路。图2-2智能数字化电子镇流器系统框图Fig.2-2 Typical block diagram of digital electronic ballast下面对本文所研究的智能数字化大功率金属卤化物灯电子镇流器系统平台的关键部分作简要的介绍，为后续章节的具体分析作一铺垫。2.2有源功率因数校正电路电子镇流器本身，实际上是一种AC/DC/AC的特种电源，采用二极管不控整流、电容滤波的AC/DC整流环节会引起输入电流严重畸变，功率因数较低，大量使用时对电网将造成严重的谐波污染和无功负担。对于这种使用数量大的中小功率单相电源系统，最理想的方法是在电源内部采取功率因数校正措施，从根本上消除谐波源。有源功率因数校正技术被认为是合适的选择，近年来，国外的一些半导体厂商（如Motorola、Unitrode、ST等）都开发、生产了各种PFC专用集成电路，常见的用于升压型功率因数校正的专用集成电路有MC33262、L6561、UC3854、L4981等，这些芯片的技术指标和性能有所不同，但是其功能却基本相同。其主要作用有：一、可以解决高压气体放电灯电子镇流器输入电流的畸变问题，迫使输入电流为正弦波；二、当输入电压或负载在大范围波动时，可以获得稳定的直流电压，提高电子镇流器的可靠性和安全性。目前，被广泛应用于中大功率高压气体放电灯电子镇流器的功率因数校正芯片主要有电感电流连续模式和电感电流临界断续模式两种。2.2.1临界导电模式功率因数校正电路的原理分析按照电路中的电感电流工作状态，功率因数校正电路分为三种类型：连续导电模式、断续导电模式和临界导电模式。其中，临界导电模式介于连续和断续之间，具有功率因数高、功率开关管零电流导通、功率二极管的损耗小、控制电路简单等优点。因此，本文的设计在比较了连续导电模式和临界导电模式的电路以后，采用了ONsemi公司的MC33262工作于临界导电模式的功率因数校正芯片来构成功率因数校正电路。2.2.2工作原理分析本文采用ONsemi公司的MC33262作为控制芯片，其基本电路结构如图2-3所示。图2-3 MC33262控制芯片内部电路基本结构Fig.2-3 Internal structure of MC33262主电路由单相桥式整流器和DC-DC Boost变换器组成。功率开关由控制电路控制，工作在高频通断状态。其控制电路包括了电压反馈和电流反馈信号，具体工作过程如下：主回路的输出电压的分压值和基准电压比较后，输入给电压误差放大器VA。整流电压检测值和VA的输出电压信号共同加到乘法器M的输入端，乘法器M的输出作为电流反馈控制的基准信号。电流误差放大器的输出与电感零电流检测器(ZCD)的输出作为开关管驱动器的输入信号，控制开关管的开通和关断，保证电感电流的峰值跟踪整流电压，从而使输入电流（电感电流的平均值）与输入电压的波形基本一致，提高输入端功率因数，降低电流畸变程度。由于电感零电流检测器的引入，开关管只能在电感电流下降为零时开通，Boost电路工作在介于CCM和DCM之间的临界导通模式。这样，一方面降低了VD1关断时反向恢复电流对开关管的冲击作用；另一方面将输入电流限定为电感电流峰值的二分之一。2.3桥式逆变电路和负载谐振电路大功率金属卤化物灯工作于高频的交流状态，这就需要一个电路将前级功率因数校正电路环节得到的直流电压转换成高频的交流电压，因此，桥式逆变电路是电子镇流器电路中最基本同时也是最关键的组成部分。图2-4桥式逆变电路Fig.2-4 Two types of bridge inverter circuit图2-4所示的两种桥式逆变电路输出信号均为方波电压，其傅立叶展开式分别为：式中，为逆变器直流侧的母线电压，为方波电压角频率。基于以上分析，要使金属卤化灯能够正常工作，逆变器的输出电压必须满足灯正常工作时的额定电压。本文所研究的大功率金属卤化物灯灯端电压较高，必须采用全桥逆变电路的结构才能满足灯端电压的要求，因此，本文中的逆变电路结构采用全桥逆变电路的结构。谐振电路是接在高频电源（全桥）与灯负载之间的限流电路，一般采用由无源元件构成的谐振式结构。根据基本电路结构可以将负载谐振电路分成三种基本形式，它们的输入可以是交流信号，也可以是脉动的直流信号，如图2-5所示。 a)串联负载谐振电路 b)并联负载谐振电路 c)串并联负载谐振电路图2-5负载谐振电路的基本形式Fig.2-5 Basic types of resonant circuit大功率金属卤化物灯是一种非常特殊的负载，其正常工作时的等效电阻与启动前的等效电阻相比有非常“巨大”的差别，在电路结构不变的前提下，从灯启动时的高电压到稳态工作时的低电压的转换正是利用这种差异实现的，所以对负载电路电压传输特性讨论十分必要。图2-5a)所示的SLR电路，电压传输特性可以用式(2-3)表示如下： (2-3)式中，R为金卤灯的等效电阻。由式(2-3)可以得到串联负载谐振电路的幅频特性和回路电流相移特性： (2-4) (2-5)为了从比较直观的角度分析结果，式(2-4)、(2-5)的图形表示如下：图2-6串联谐振电路频率特性Fig.2-6 Frequency characteristics of SLR circuit采用串联谐振电路结构时，由于金卤灯没有与谐振元件相并联，当电路工作在谐振状态时，灯端所获得的谐振电压超不过电源电压，如图2-6所示。而金卤灯所需的启动电压比电源电压要高得多，因此不能直接利用谐振作用产生的高电压启动灯，实际应用中仍然需要附加启动电路。图2-5b)所示的并联负载谐振电路(PLR)和图2-5c)所示的串并联负载谐振电路(SPLR)可以通过灯端并联电容在电压谐振时产生的高电压启动高压钠灯，并利用金卤灯启动前后阻抗特性的变化使谐振电路自然失谐达到稳定工作状态。图2-5b)、c)所示电路的主要区别在于串联电容Cs的有无。因为电压型全桥逆变器输出电压是直流方波的形式，利用电容Cs的隔直作用可以去掉电压中的直流分量，使负载电路工作在交流。对于输出交流信号的逆变器，Cs可以消去逆变器输出信号中不平衡的伏秒值。以图2-4b)所示的并联负载结构为例，电压传输特性可以用式(2-6)表示如下： (2-6)式中，。由式(2-6)可以得到并联谐振负载电路的幅频特性和相移特性： (2-7) (2-8)为了从比较直观的角度分析结果，式(2-7)、(2-8)的图形表示如下：图2-7并联谐振电路频率特性Fig.2-7 Frequency characteristics of PLR circuit2.4数字控制器设计数字控制器是镇流器控制电路的核心。数字控制器通过A/D端口获取金属卤化物灯的工作状态。并且根据这些状态信息，通过一定的控制算法调节全桥逆变器的工作模式。与传统的模拟控制器相比，数字控制器容易实现较为复杂的控制策略，具有很强的抗干扰能力，而且具有一定的扩展能力，可以方便地实现各种保护功能及通信等高级功能。2.4.1数字控制器硬件电路设计本设计采用Freescale公司的MC68HC908KX8八位低成本微控制器作为控制核心，从而取代了原模拟电子镇流器的PWM驱动芯片。采用数字控制器的基本控制电路如图2-8所示。可以完成的基本功能包括：灯启动时候的高压脉冲电压检测(Lamp_Volt)；全桥逆变器输入电流检测(Bus_I)；全桥逆变器的驱动信号(PWM_Signal)；此外还可以扩展通信串口等等。图2-8数字控制器基本电路图Fig.2-8 Basic digital controller diagram2.4.2数字控制器软件程序设计采用数字控制器的金属卤化物灯电子镇流器的最大优点就是，镇流器工作的各个状态都可以通过软件流程来进行控制和检测，而且通过对灯相关参数的实时检测，可以判断灯的工作状态，从而区分出正常工作和异常情况，及时对镇流器和灯进行保护，具有相对智能的特性。要能实现上述功能，就要进行相对完善的单片机软件程序的编制。本课题采用单片机常用的汇编语言进行编程，在软件程序功能尽可能完整的前提下，编制了若干子程序实现相应的功能，方便主程序灵活调用。主程序对镇流器的各个工作模态进行了综合控制，通过调用各个模块化的子程序实现滑频点灯、过渡控制、功率闭环、故障判断及故障保护等各个阶段的功能。各子程序模块功能简介如下：1、启动模块：冷灯状态下，通过预热和滑频，使谐振电路产生高压将灯启动。若启动次数达到设定值后仍然未能启动，则判断线路出现故障，进入保护状态。2、功率过渡模块：实时检测进入全桥逆变器的电流，实现到稳态阶段的平滑过渡，抑制灯功率超调和突变。3、稳态功率控制模块：通过控制进入全桥逆变器的电流，进行闭环控制，实现灯功率基本恒定。4、采样模块：负责采集灯和镇流器电路的各种数据，如灯电压、灯电流、母线电流等。5、驱动模块：通过单片机PWM口产生全桥逆变器的驱动信号。6、故障处理模块：能识别热灯、开路、短路等故障，并进行自动保护。主程序和各个子程序模块的流程将会在后续章节进行详细叙述。2.5 本章小结本章根据现阶段大功率金属卤化物灯电子镇流器的发展，结合要实现的具体功能和实际情况，设计了一个包含数字控制器基本的系统平台。既包括功率因数校正、全桥逆变器、谐振电路等硬件电路部分的设计，又包含了基于Freescale微控制器汇编语言的软件部分功能的设计，搭建了基本的软硬件平台，为后续章节的研究进行了必要的铺垫和充分的准备。第三章 大功率金卤灯启动及恒功率控制策略的研究3.1引言大功率金属卤化物灯作为一种新型的节能型电光源，因其发光效率高，显色性好，寿命长等优点，已经广泛应用于体育馆、展厅、商场、广场等需要大面积照明的场合。由于高强度气体放电的特性以及金属卤化物灯的自身特性，它的启动过程比较复杂，由于气体放电灯的固有光电转换机制负阻工作特性，金卤灯的启动必须要经过点火、繁流、弧光放电等阶段，然后功率逐渐上升逐渐过渡到稳态，在这个阶段中，灯端电压逐渐上升，流过灯的电流逐渐下降，最后达到一个稳定的值。所以，电子镇流器要能够成功点亮灯，并能够逐渐使灯过渡到稳态，最后对灯的功率进行闭环控制，这些都是本章所要研究的主要内容。不论是研究灯的启动，还是对灯进行恒功率控制，都需要对全桥LCC串并联谐振电路进行研究，下面就先对灯启动和恒功率控制的核心电路LCC串并联谐振电路作一分析。3.2全桥LCC串并联谐振电路分析大功率金属卤化物灯工作于高频的交流状态，为保证灯的寿命和有效工作，金属卤化物灯的两个电极应该交替工作，以避免其中一个电极的过渡消耗。所以两个电极工作的时间应该保持一致，并且在灯电流中不能存在直流成分。基于以上这些要求，本文所研究的数字化大功率金属卤化物灯电子镇流器后级采用了全桥逆变LCC串并联谐振电路的设计。基本的全桥逆变电路如图3-1所示，本设计中，LCC谐振变换器的一个工作周期里，上下半桥的驱动信号的占空比应该尽可能相同，而且为了避免电流过零时可能出现的熄弧现象，驱动信号的占空比应该接近50%。假定LCC谐振变换器中所有的器件都工作在理想状态，在全桥逆变LCC谐振电路的一个高频工作周期中，共有四种工作模态如图3-2所示。首先Q1、Q4导通，Q2、Q3关断，谐振网络和金属卤化物灯由电源母线提供能量。在半个工作周期结束后，电感通过Q2、Q3的寄生体二极管续流；然后Q2、Q3导通，Q1、Q4关断，谐振网络和金属卤化物灯再由电源母线提供能量，电感通过Q1、Q4的寄生体二极管续流。a)串并联负载谐振电路b)逆变器等效电路图3-1串并联负载谐振变换电路Fig.3-1 Series parallel resonant inverter图3-2全桥工作模态Fig.3-2 Conduction sequence of the full bridge本文在第二章中已经对LC串联和并联谐振电路进行了相关的分析，而对于数字化电子镇流器，LCC串并联谐振是一种更为普遍应用的谐振电路。全桥LCC串并联谐振电路如图3-1(a)所示，串并联谐振腔具有带通特性，能有效衰减方波的高次谐波分量，串联电容能够滤除电源电压中的直流分量。基于第二章的讨论，在分析串并联谐振电路时，负载电路的输入信号可以用方波信号的基波分量来表示： (3-1)式中功率因数校正电路输出直流电压(V)；半桥逆变器工作角频率(rad/s)；对高压气体放电灯特性的研究表明，金属卤化物灯在高频工作时呈电阻特性。因此，在分析过程中将金属卤化物灯的阻抗特性用其等效电阻来表示。灯点亮以前，其等效电阻很大，近似于负载开路；灯点亮以后，灯的等效电阻立即变小，相当于负载短路；然后在过渡阶段，随着时间的推移，灯电阻逐渐增大到稳态的等效电阻值。在达到稳态之后，在短期内，灯的等效电阻保持恒定，但是从长远的角度看，随着灯使用时间的增加，等效电阻会逐渐上升。串并联负载谐振逆变电路在结构上是串联负载和并联负载电路的结合。为方便起见，表3-1给出了串联负载和并联负载的特征参数表。表3-1逆变器特征参数及其相互之间的关系Table 3-1 Parameters of theinverter and relationships between them图3-1(b)所示串并联负载谐振电路输入阻抗的模和相角可以用下式表示： (3-2) (3-3)负载谐振的谐振频率是指在此频率作用下回路阻抗的相移等于零，谐振频率可由下式求得： (3-4) (3-5)当谐振电路空载时，由式(3-3)和式(3-4)可以看出，谐振频率。串并联负载谐振电路的工作频率高于谐振频率时，回路电流滞后电压，全桥逆变器的功率管在零电压下开启，不存在开通损耗。由电流滞后造成的关断损耗可以通过外加缓冲电容来解决。3.3大功率金属卤化物灯启动方式的研究金属卤化物灯的启动过程和其他高压气体放电灯一样，都是气体放电的物理过程。以前最简单也是最常用的启动方式是采用瞬时启动电路，在这种电路中，将足够高的电压加到金卤灯和镇流器串联的电路上，使金卤灯内气体电离。但是实际应用中这种启动方法存在很多问题，如灯极突然受到冲击，影响灯泡寿命；自适应性差，不能随灯泡本身所需实际启动电压的不同而改变高压脉冲幅值的大小等等。不过因为瞬时启动方法的可靠性很高，所以目前电感镇流器和很多电子镇流器仍然采用此种方法。基于LCC串并联负载谐振电路的启动方式，可以大大降低启动电压，延长灯泡使用寿命22。结合LCC谐振网络的电压传输特性，文献18,19提出了一种滑频软启动方法。全桥逆变器的工作频率逐渐靠近LCC网络的固有谐振点时，施加在金卤灯两端的电压随着频率的推移逐渐增加。这种方法可以有效降低启动电压对灯极的冲击，延长灯泡寿命。谐振点灯的方法一般分为两种，基频谐振和谐波谐振。基频谐振是利用驱动源频率和电路的本征谐振频率相近时，谐振电路产生很高的基频谐振电压来点灯。而谐波谐振是利用驱动源频率的某一高次谐波和电路的谐振频率相近时，谐振电路产生的高次谐波电压来点灯。文献23中指出高强度气体放电灯采用多个高压脉冲连续作用的启动方法时，可以降低对启动电压脉冲幅值和宽度的要求。如图3-1所示的全桥逆变LCC串并联负载谐振电路的电压传输特性可以由式(3-6)表示如下： (3-6)式中灯端电压的最大值；式(3-1)中的最大值令，得到LCC串并联负载谐振回路的电流传输特性由式(3-7)表示如下： (3-7)在灯点亮前后的电压增益可以用图3-3表示，可以看出，在灯点亮之前，足够高，所以当开关频率接近于时，电压增益变得非常大，所以可以用谐振产生的高压把灯点亮，而不需要额外附加启动电路。图3-3 LCC负载谐振电路电压幅频特性（箭头所指为启动顺序）Fig.3-3 LCC circuit voltage gain before and after the ignition transient(Thearrows indicate the ignition sequence)图3-4 LCC负载谐振回路电流幅频特性（箭头所指为启动顺序）Fig.LCC circuit input current before and after the ignition transient(Arrows indicate ignition secquence)图3-3表明谐振网络负载端的电压增益与工作频率存在对应变化趋势的联系，不同的工作频率点所对应的电压幅值也不同。在谐振回路固有谐振频率点右侧选择一个合适的频带然后工作频率逐渐从右向左滑动。根据谐振网络的电压增益特性，施加在灯两端的电压逐渐增加，到达一定程度后启动金卤灯。在滑频过程中，灯两端的谐振电压和谐振回路的电流逐渐增加。这样，既可以降低启动对元器件的冲击程度，又能适应不同启动电压的金属卤化物灯。滑频频带选在谐振回路固有谐振点右侧时，可以降低半桥逆变器功率开关管的损耗13。如图3-3所示，滑频软启动过程具体为：工作频率从工作点(1)逐渐向工作点(2)滑动，灯启动后灯电阻从无穷大变到近似短路(3)，检测电路判断灯亮后，直接过渡到工作点(4)。需要注意的是，当频率到达，而灯没亮的时候，施加到灯两端的电压是非常大的，而这个电压仅通过电感和电容的等效串联电阻来限制，所以可能会导致不安全的情况发生。所以，在具体应用的时候