一种模拟控制的汽车头灯电子镇流器

一种模拟控制的汽车头灯电子镇流器

张汀，许建柄，陈敏，钱照明

摘要：目前，世界各国开始用小功率氙灯代替传统的卤钨灯作为汽车前照灯的光源，但其电子镇流器的设计复杂，价格昂贵，主要用于高端汽车场合。本文首先提出了采用模拟控制的汽车头灯电子镇流器；介绍了其基本原理和设计方法，它包括基本电路结构和主电路拓扑的选择。此外，由于疝灯的启动暂态过程极其复杂，因此如何较好地完成灯启动过程的控制是一个难点。文中给出了其恒功率切换及点火控制方案。最后，通过汽车头灯电子镇流器的样机制作，较好地完成了包括恒功率环切换，较高点火电压等灯从启动到稳定的各个控制任务。

关键词：卤素灯；汽车；镇流器；模拟；控制/氙金属卤素灯；汽车头灯

1.引言

20实际80年代，有精确尺寸的低功率小型石英金属卤化物灯在设计和生产两方面都获得了突破。同时，随着人们生活及交往节奏的加快和高速公路的建成，要求不断改善汽车夜间驾驶的安全性，为此需要有良好的前照灯视觉构造，因此世界各国开始用小功率氙金属卤化物灯代替常规的卤钨灯作为汽车前照灯的光源。通过在灯中充入几个大气压的高压氙气作为启动气体来满足汽车前照灯瞬时发光的要求。目前，高强度汽车头灯电子镇流器系统是研究热点之一，但是这种电子镇流器设计复杂，价钱昂贵，且体积较大，只适用于高端汽车等应用场合。显然，若能减小其体积和成本，其需求量将大量上升，因此有着相当好的应用前景。

本文提出了模拟控制的汽车头灯电子镇流器，实现了用模拟电路来控制汽车头灯从启动到稳定的各个控制任务，包括恒功率，点火控制等。

2.基本电路结构

为了满足灯在启动与稳态时的不同要求，目前，一般采用的汽车头灯用电子镇流器的基本电路结构包含图1所示的4部分功能。

(1)DC/DC升压电路 由于目前汽车使用的电源为12V铅蓄电池，而灯管稳态电压约为85V，因此必须经过一级升压电路将电池电压升高。

(2)高压启动电路 由于灯点亮需要高压脉冲才能使灯管击穿开始放电，因此需要高压启动电路。启动电路可采取一级或二级升压的方式来产生至少23kV以上的高压脉冲。

(3)DC/AC变换电路 由于直流升压电路的输出为直流电，必须使用逆变电路将直流电转变为灯管所需的交流方波电流。逆变电路一般采用全桥逆变器。全桥逆变电路提供低频交流方波电流给灯管，以避免声谐振的发生。

(4)驱动与保护电路 灯管启动时控制启动电路。灯管点亮后，检测是否有过压及短路发生。通过检测灯电压与灯电流的信号控制驱动电路和保护电路，使灯管能稳定工作。

3.主电路拓扑的选择

升压变换器除了要满足灯正常工作要求外，还必须考虑电路的空载输出电压能力。空载输出电压的高低决定了ignior电路和take over电路的设计。

(1)在众多的电路拓扑中，Boost电路是最简单的。当开关S工作在很大的占空比时，可以得到高的输出电压。然而，在这种工作条件下，输出二极管存在反向恢复问题，开关的电压电流应力高，损耗大。

(2)对于正激式变换器，虽然也可实现升压的目的，但其空载输出电压能力不如反激式变换器。正激式变换器的变压器不需要储存能量，所以变压器磁芯的尺寸可以很小，但为了输出400V的电压，必须增加次级绕组的匝数，因此需要大的窗口面积。所以过多的次级绕组会导致变压器铜损的增加，对提高效率是不利的。

(3)采用Flyback变换器作为DC/DC级拓扑，通过附加点火绕组的方法，减小DC/DC级的开关应力，增加了电路可靠性；如果采用数字控制可使电路工作于临界连续状态，可实现较多功能，从而降低电路成本。

此外，还有许多汽车头灯电子镇流器的主电路拓扑综合考虑了这些方法，一般选用图2所示Flyback变换器加低频全桥逆变电路作为主电路拓扑。

4.控制电路设计方案

灯的启动问题是目前的一大热点，因此对其控制方法的研究较多。通过控制系统的优化，提高了系统的动态响应速度；缩短了灯的预热时间，使灯能迅速进入弧光放电；减少了灯的电极损耗；延长了灯的寿命。

4.1采用模拟电路完成控制策略

图3示出设计的一种低成本、简单可行的模拟控制电路。它完全能在汽车头灯从启动到稳定各个阶段内提供所需的各种控制功能。

4.2恒功率控制方案

由图3可知，全桥逆变电路的总体负载只有灯消耗有功功率，因此灯消耗的功率可近似看作是逆变器的输入功率。所以通过不断采样灯回路上的输出电压U_o和输出电流I_o，采用抛物线近似的恒功率控制方法，用模拟电路来实现可使控制精度达到±5%左右的恒功率控制。但是，汽车头灯比较特殊，为了要满足其在4s内达到额定光输出的80%这一特殊要求，一开始提供70W的瞬态功率给灯，而汽车头灯的额定功率为35W。所以，在设计时需要两个恒功率控制环，两者的切换通过一个门电路来实现，图4示出恒功率控制的电路结构。

4.3点火控制方案

点火方式采用脉冲式点火，电路采用倍压整流电路。图5示出点火控制电路。全桥逆变器输出的正向电压先把VD₂导通，给电容C₂充电；输出的负电压把VD₁导通，给C₁充电。当每个电容都充电到400V时，可使800V的气体放电管触发导通，开始放电。这样，当变压器初级产生800V脉冲时，次级就会产生上万伏的高压脉冲，从而将高强度的气体放电管雪崩击穿。

5.实验结果

在前述原理分析和实现方案讨论的基础上进行了实验论证。实验样机是额定功率为35W汽车头灯电子镇流器。升压电路采用反激式电路，选用UC3843作为PWM控制芯片。主要电路参数有：反激式电路的MOSFET开关管选用的IRF540；二极管选用MUR860，变压器的初级电感L_p=7.8micro;H，输出电容选择耐压为630V的1micro;F的CBB电容。图6b示出反激式变换器稳态下开关管的驱动电压U_gVM和开关管漏源极两端的电压U_dsVM实验波形。可见，U_dsVM有一个很大的尖峰，是漏感的能量所致。图6c示出稳态时两端的电压u_o及其流过灯的电流i_o实际工作波形。由图可见，灯两端的输出功率将近达35W，这与理论设计符合得很好。

6.结论

研究了模拟控制汽车头灯电子镇流器的基本电路结构，各电路拓扑的选择。通过实际样机的制作，论证了模拟电路可用来实现汽车头灯从启动到稳定的复杂控制要求；说明了整个模拟控制汽车头灯电子镇流器电路设计的合理性。