120W高可靠HID灯电子镇流器

2011-05-26 11:41:17来源: 互联网

高强度放电(HID)灯以其光效高、寿命长、体积小、控光性强、显色性好、光利用率高等特点,已成为近代照明的主流产品之一。HID灯正从特殊用途,如投影仪、汽车头灯等,向通用领域扩展。由于HID灯的特性,其镇流器也比较复杂。首先,HID灯需要数千伏的高压脉冲来点火,因此要专门设计点火电路。另外,HID灯在高频电源供电情况下极易产生声谐振现象,对外表现为光强不稳、电弧闪烁、扭曲等。此时可出现灯电压和电流起伏,并伴随有与激励源同频率的声波,严重时可能熄弧,甚至造成灯管损坏,所以还需要采用专门的抑制“声共振”的电路。

镇流器基本结构
本文介绍的HID灯镇流器内部结构如图1所示。220V交流电经过整流、滤波,送到降压开关电路。驱动脉冲发生器检测电感的电流过零信号,驱动降压开关工作在电流准连续状态。在此模式下,降压开关每次开通的电流都从零开始上升,所以是零电流开通,有效地减小了开关噪声。在开关管关断期间,续流二极管的电流已经降低到零,所以没有反向恢复问题,减小了反向恢复损耗。全桥驱动电路采用Philips公司的UBA2030T。该全桥驱动电路采用24脚封装,集成了自举电路,能直接驱动高压端N沟道MOSFET,使用比较方便。由单片机来的驱动信号经过电平转换送到UBA2030T,可以方便地改变输出频率。

图1  HID灯镇流器框图


谐振点火电路是这样工作的:在点火期间,单片机控制继电器,使一个附加的谐振LC接入主电路,同时驱动逆变器输出与谐振频率相同的激励,使主电路谐振,产生交流高压,再经过倍压整流产生约800V直流电压,击穿放电管实现点火。单片机采用Microchip公司的PIC16F73,内部带8位A/D转换器,D/A转换器则有单片的PORTC口加R-2R电阻网络来实现,成本低廉。

降压DC/DC工作在电流准连续状态
电流准连续状态下,降压开关每次都是零电流开通,而且续流二极管也结束续流,不会有反向恢复电流。在输入电压比较高(300V直流)的情况下,如果续流二极管没有结束续流,降压开关就再次开通,会有一个峰值很大的“反向恢复”电流流过续流二极管和降压开关管,造成能量损耗并产生很强的传导和辐射干扰。


1 电路构成

图2  简化的电流准连续控制原理图


图2是简化的“电流准连续”控制电路,主要工作波形如图3所示。降压开关VT1、续流二极管VD1及电感L1构成典型的降压电路。VD1中串联了一个电流检测电阻(0.1Ω),用来检测续流电流。电感L1中增加了一个辅助绕组,用来得到过零信号。N1B(1/2个LM556)用来构成一个单稳态振荡器,产生启动脉冲,同时也起到最低频率限制的作用,防止降压电路产生可闻噪声。过零脉冲发生电路在检测到L1的辅助绕组送来的过零信号时发出一个负脉冲,触发N1A(另外1/2个LM556)输出高电平,通过隔离变压器驱动VT1。放大器N2将VD1中的电流信号放大后加到N1A的2脚。下面详述工作原理。


2 工作原理
上电后,单稳振荡器电路给出第一个脉冲,加到N1A的6脚(TRIGGER端),使N1A的5脚输出高电平,驱动VT1导通,开始第一个周期。电感辅助绕组输出的电压幅度正比于输入电压,通过VD2、R5对C3充电。C3上电压达到N1的3脚电压时,5脚变成低电平,结束VT1的开通过程,VD1开始续流。VD1中的电流信号经过反向放大加到N1的2脚,从而保证2脚在二极管续流期间为高电平,5脚为低电平,防止下一次开通在续流结束之前到来。电流信号的加入起到了在续流期间封闭N1A的作用,即使有干扰信号使“过零触发电路”误动作,也不会使5脚给出驱动信号。保证了电路的安全可靠。


续流接近结束,N1的2脚(THRESHOLD端)的电压低于1/2控制电压(N1的3脚电压)。一旦有“过零”负脉冲来到N1的触发端(6脚,TRIGGER端),则5脚输出为高,VT1再次开通。这样就实现了电感电流的准连续模式。


在电路刚刚开始工作的时候,输出电压从零开始上升,输出电压比较低,二极管续流时间比较长,可能工作频率会降低到可闻频率(<20kHz)。为了避免出现这种情况,设置了最低频率限制电路,这个电路同时也是最初的启动电路。把最低频率限制在20kHz以上,不等到续流结束VT1就再次开通,续流电流已经下降到比较低,而且这种情况只在启动初期的几十毫秒内出现,一旦灯电压上升到20V以上,就不再会出现这种情况。


3 电感计算

图3 主要工作波形


由于降压电路工作在电流准连续状态,电流波形为过零的三角波(见图3)。峰值电流由式(1)给出:
iPK=PO/VO×2               (1)
PO=120W,VO=100V,所以最大电感电流为2.4A。稳态时,降压开关开通期间的电流上升量与关断期间的下降量相等,所以有:
Vi/L×TON=VO/L×Toff=iPK   (2)
降压开关最低工作频率为20kHz,输入电压最低200V,根据式(2),关断时间Toff=33μs,电感量L=1389μH,取1.4mH。

图4 启动过程的续流二极管电流

HID灯恒功率控制
VT1开通期间,电感辅助绕组感应电压通过电阻R5对电容器C3充电。由于辅助绕组感应电压(Vf)比C3上的电压高得多,所以充电电流约为Vf/R5。电容器上的电压Vx由下式给出:
      (3)
当Vx达到控制电压VC时,开通结束,开通时间TON为
Ton=(VxC3R5)/Vf=C3R5NVc/(Vin-Vo)                         (4)
其中,N为电感主绕组与辅助绕组的变比。
主开关关断时,续流电流经过放大,加在LM556的2端,使它不能立即再开通,避免误动作。续流结束后,触发电路使LM556立即再次开通。开关峰值电流为
Ipk=(Vin-Vo)*Ton/L           (5)
输出电流平均值Iav为电感电流峰值的1/2,结合式(4)和(5),有:
Iav=1/2Ipk=C3R5NVc/2L      (6)
可见,理想情况下输出电流与控制电压成正比。


降压DC/DC输出平均电流实际上就是灯电流。HID灯的功率为Iav与DC/DC输出电压的乘积,P0=IavVo。根据式(6)可得:电路参数确定以后,单片机只要给出控制电压,就给出了灯电流。因此,单片机不需要采样脉动的灯电流,只要采样DC/DC输出电压(也即灯电压),给出合适的控制电压,就相当于给定了输出功率。而单片机也不需要进行复杂的计算,只要事先制作一张表格,采样了灯电压,就可查表得出对应的控制电压。实验证明这个方法简单有效。在镇流器的生产线上,也可以利用自动测试设备得到每个镇流器的传输特性曲线,生成表格,写入单片机,从而给每个镇流器量身订做一个包含表格的控制程序,对于消除电路离散性十分有效。

谐振升压点火电路
启动过程会影响灯的光效和寿命。根据HID灯的特点,灯管温度低的时候,点火电压大约需要3kV,而在点灯一段时间后,灯管温度比较高,如果需要熄灯后再次点灯,则需要更高的电压才能点火成功。这种情况下如果等待一段时间,比如1分钟,使灯管温度降低一些再点火,就比较容易成功。由于本电路输出比较高的点火电压,所以只需要等待比较短的时间。采取的策略是:每次点火时,单片机试探点火1.6s,如果不成功,则延时20s再点火1.6s,如此反复5次不成功就放弃,认为灯管损坏或者灯管没有安装。需要注意的是,应当避免未装灯的情况下启动镇流器,此时点火电路输出的高压脉冲对点火变压器的绝缘层构成威胁。

图5  点火电路及变压器原边点火脉冲电压波形


图5是与点火相关的电路。点火期间,单片机给出的逆变桥驱动频率为62kHz,远高于正常工作的频率,继电器K1处于断开状态,C3、C4、L1、L2构成谐振环路,在C4上产生约600V的交流高压,经过VD1、VD2、C1、C2倍压整流,产生直流高压击穿VD3(800V放电管)。由于VD3的负阻抗特性,C1、C2中储存的能量会以脉冲的形式释放到点火变压器T1的原边,在副边感应出约8kV的脉冲电压,使得灯管内部击穿电离。一旦点火成功,灯电阻立即下降,谐振条件被破坏,电路不再产生谐振高压。


点火成功后灯电阻下降。由于前端DC/DC电路工作在限流状态,因此点火成功的标志是灯电压比较低(<20V)。如果点火成功后立即改为低频(90Hz)工作,由于灯阻抗比较低,容易出现过流的现象。降压DC/DC电路在输出电压接近零的情况下不能很完美地实现恒流的功能。解决的办法是,点火成功后继电器K1并不立即闭合,在此后的100ms里,单片机给出的逆变频率是20kHz,不满足谐振条件,因而不会点火。在此频率下,C3、L2与灯串联,增加了负载阻抗,使得DC/DC电路不至于出现过流。这个阶段可以称为“维持电弧期”。灯电压上升到20V以上之后,逆变频率降低到90Hz,同时继电器K1闭合,进入正常工作状态。这样的控制策略使得启动过程十分平顺,不会出现电流冲击,提高了镇流器的可靠性,同时也有利于延长灯的寿命。
                        
控制程序流程

图6  主程序流程及T0中断服务程序

程序流程如图6所示。程序首先判断是否有开机命令,有则判断输入电压是否高于200V,是就开始点火。点火期间逆变桥输出62kHz激励,主电路谐振,产生高压击穿气体放电管,经过T1给出高压脉冲激励灯管产生电弧。接下来程序控制逆变频率为20kHz,用于维持电弧,等待灯电压上升,然后控制逆变频率为90Hz,进入正常点灯状态。单片机以中断方式给出逆变器驱动信号,即每隔5.5ms中断一次,在中断服务程序中给出逆变器驱动脉冲,执行A/D转换,查表求出当前应该给出的控制电压,输出到DAC。其中,A/D转换程序采用了多次采样求平均的做法,消除偶然的干扰。


HID灯从点火成功到稳定工作需要一段时间。为了快速进入到稳定工作状态,控制程序在点灯最初的90s里将激励功率从额定值提高10%,90s预热结束后返回到额定功率。另外,在逆变桥换流时间内,单片机控制降压DC/DC降低输出电压,降低了逆变桥MOSFET开关应力。实现的方法是:在T0中断服务程序即将给出逆变桥驱动脉冲之前,将DC/DC控制电压降低,在脉冲给出之后恢复。

结论
本文所讨论的HID灯镇流器采用电流准连续DC/DC,既降低了开关应力,增加了可靠性,又提高了效率。谐振点火电路能输出高达8kV的点火电压,可以在熄灯后快速再次点灯。单片机控制程序降低了逆变桥的开关应力,而采用查表的方式实现恒功率控制,避免了复杂的计算,程序代码短,稳定可靠。

关键字:电子镇流器

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0526/article_9137.html
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