一种数字化小功率金卤灯电子镇流器的研究

一种数字化小功率金卤灯电子镇流器的研究

摘要：研究了一种新型的具有异常状态自动保护和稳态灯功率闭环的小功率金卤灯电子镇流器，分析其电路结构、工作原理和控制程序。启动阶段采用并联负载谐振电路，稳态阶段采用半桥双Buck电路。采用3次谐波谐振方式可以降低启动电流，采用启动电压限幅值控制滑频截止点可以克服元件参数离散性的影响。采用低频方波方式可有效抑制稳态的声谐振。仿真及实验结果证明了该电路的有效性。

关键词：镇流器；卤素灯；谐振/金卤灯

1. 引言

金卤灯是一种第三代电光源，因其光效高，寿命长，在绿色照明中扮演了越来越为重要的角色。电子镇流器作为一种节能照明电器，已成为实施绿色照明的重点内容之一。与传统的电感镇流器相比，电子镇流器的体积和重量大大减小，能够提高网侧电能质量，改善照明质量。但是，现在市场上普遍应用的是电感镇流器，主要原因是结构简单，可靠性高，价格便宜。因此，对金卤灯电子镇流器的开发提出了更高的要求，即必须满足能可靠地启动金卤灯；提供恒定的额定功率；必须消除声谐振现象；具有保护功能。本文主要针对于室内照明的小功率金卤灯，设计其电子镇流器的拓扑结构，研究其控制策略。

2. 拓扑结构、工作方式及控制策略

图1示出设计的电子镇流器的主电路拓扑结构。其启动阶段及稳态工作阶段分别采用半桥并联负载谐振（Parallel Load Resonant，简称PLR）电路和半桥双Buck电路。在金卤灯启动前，由于电弧管中填充的惰性气体未电离，灯处于高阻抗状态，可近似认为是开路的。在启动阶段，图1中的Relay断开，开关管VQ₁和VQ₂加互补的高频驱动信号。图2示出PLR电路。并联的谐振电容C_p和谐振电感L(L₁和L₂之和)在高频交流电压驱动下谐振，从而在C_p两端产生高电压。

这时，谐振变换电路所加的驱动电压为交流方波，幅值是直流母线电压U_bus的50%。它的傅里叶级数展开式为： （1）

PLR电路的固有谐振频率为：

（2）

图3示出谐振电压u_r和逆变电路开关频率f_c的关系。从高频向低频，f_c越接近f_z，C_p上的谐振电压u_r的幅度越大。PLR电路的输入电压是富含奇次谐波的方波电压。如果方波电压的基波频率高于电路的f_z，则设计时可只考虑基波而忽略高次谐波的影响；如果方波电压的基波频率低于电路的f_z，则必须考虑高次谐波频率的影响，谐波谐振可能成为u_r的主要部分。本文采用3次u_r谐振，有效减小了启动时串联电感中的电流，提高了功率电路的可靠性。

此外，采用在谐振峰的右侧从高向低滑频，谐振电路工作在感性区，可实现VQ₁，VQ₂的零电压开通，减少MOSFET的开关损耗。由于参数的离散性，设计的谐振峰（图3的曲线2）可能向左（图3的曲线3）或向右（图3的曲线1）偏移。如果靠设定滑频截止点控制启动过程，当谐振峰向左偏移时，达到滑频截止点时，u_r可能仍然无法把灯点亮；当谐振峰向右偏移时，启动过程可能滑过谐振峰，产生过高的u_r，损坏功率开关。所以，可通过设定启动电压u_g限幅值控制滑频的截止点。当滑频产生的高压达到电压限幅值，即所需的高压时，自动停止滑频。

灯点亮后，灯由原来的高阻特性转变为低阻性。待灯弧稳定，灯功率达到设定值，图1中的Relay闭合，采用的驱动信号变为具有高频调制的低频方波信号。此时，电路结构和工作模式具有明显的对称性，在低频开关周期内具有Buck电路的工作特点，图4示出半桥双Buck电路结构。其灯电压u₀和灯电流i_o都是低频方波信号，可有效抑制灯声谐振现象。因为当小功率金卤灯的伏安特性为阻性时，同时正负交替变化的方波u_o和i_o使灯功率中没有交流成分，从而不能激发声谐振。

设计的电子镇流器以FREESCALE的8位单片机为控制核心，通过检测灯端电压u_c和直流母线电流实现灯功率闭环控制和保护功能，当灯端出现开路、短路等异常状态时镇流器可进行自动保护。图5示出控制程序框图。启动时，控制电路输出互补的高频方波信号控制 VQ₁，VQ₂的通断，频率从高向低滑动，u_c逐渐升高，通过设定u_c的限幅值来控制滑频的截止点。当u_c突然降落，并低于设定的判断值时，说明灯弧管里的气体电离，进入单频暂态过渡；当灯功率达到设定值，说明灯已经点亮，满足了切换条件；当Relay闭合时，电路从并联负载谐振切换到半桥双Buck电路结构，控制电路输出具有高频调制的低频方波信号，并进行稳态功率闭环控制。半桥双Buck电路的输入端是400V的U_bus，因此通过对母线电流的采样就能实现对灯功率的近似控制。如果在过渡过程或稳态控制阶段发生灯端开路或短路故障，则可自动封锁功率电路输出，进入延时保护状态。

3. 仿真及实验结果

根据上述分析，并针对OSRAM的70W金卤灯设计了电子镇流器，进行了仿真和实验验证。

若使无辅助电极的小功率金卤灯启动，脉冲幅度应在17kV以上。图6a示出采用Pspice仿真得到的电子镇流器启动时的灯端电压u_c和电感电流i_L仿真波形；图6b示出用Tek-1389C示波器采集到的电子镇流器启动时的u_c和i_L实验波形。可见，采用的3次谐波滑频点灯方式输出的电压幅值可达2.5kV，可以提供足够的启动电压。

图6c示出采用Pspice仿真得到的稳态时的灯电压u_o和灯电流i_o仿真波形；图6d示出用Tek-1389C示波器采集到的电子镇流器稳态时的u_o和i_o实验波形。可见，u_o和i_o均接近频率为100Hz的低频方波，此时灯端功率近似为恒定值，能保证金卤灯的稳定工作，有效抑制了声谐振现象。图7示出稳态时MOSFET的驱动电压信号u_gVQ1和u_gVQ2波形。u_gVQ1和u_gVQ2在一个低频工作周期内都可分成高频驱动和低频封锁两个阶段，并且这两个状态在VQ₁和VQ₂中交替出现。在前半个工作周期内，驱动VQ₁高频开关工作，而VQ₂处于封锁状态；在后半个工作周期内，驱动VQ₂高频开关工作，VQ₁处于封锁状态。

4. 结论

研究的70W小功率金卤灯电子镇流器具有异常状态自动保护和稳态灯功率闭环控制。采用并联负载谐振电路和启动电压幅值限制可克服元件参数离散性对启动过程的影响，可保证灯可靠启动。采用3次谐波谐振方式可降低启动电流，提高可靠性。采用低频方波方式可有效抑制灯稳态工作时的声谐振。通过仿真与实验验证，设计的小功率金卤灯电子镇流器在启动及稳态工作情况下均能满足要求。