采用超高頻點(diǎn)燈克服金鹵燈聲諧振問(wèn)題的電子鎮(zhèn)流器研究

摘要：采用超高頻點(diǎn)燈的電子鎮(zhèn)流器可以有效地克服高強(qiáng)度氣體放電燈尤其是金鹵燈所固有的聲諧振問(wèn)題。提出了一套設(shè)計(jì)負(fù)載電路參數(shù)的方案。合理地選擇電路參數(shù)，使其在諧振方式下工作，可以有效地降低電路損耗。

關(guān)鍵詞：超高頻；電子鎮(zhèn)流器；高強(qiáng)度氣體放電燈；聲諧振

0??? 引言

??? 電子鎮(zhèn)流器相對(duì)于傳統(tǒng)的電感式鎮(zhèn)流器，具有工作電壓范圍寬、體積小、重量輕、無(wú)頻閃、無(wú)噪聲、效率高等眾多優(yōu)點(diǎn)，在熒光燈領(lǐng)域已經(jīng)得到了成功應(yīng)用。但是，對(duì)于高強(qiáng)度氣體放電燈，尤其是金屬鹵化物燈，由于其在高頻工作方式下存在聲諧振的問(wèn)題，因此到目前為止依然難以得到大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

??? 針對(duì)聲諧振的問(wèn)題，眾多學(xué)者進(jìn)行了深入的研究，提出了一些解決的方案，主要有：低頻方波點(diǎn)燈方案；燈電流燈電壓反饋控制方案；掃頻控制與超高頻點(diǎn)燈方案。目前比較成熟可靠的是低頻方波點(diǎn)燈電子鎮(zhèn)流器，在道路照明或汽車(chē)頭燈領(lǐng)域的金鹵燈電子鎮(zhèn)流器大都采用這一控制方式；它的特點(diǎn)是逆變級(jí)工作頻率在幾百Hz，避開(kāi)了聲諧振頻率的下限值。

??? 由于低頻方波電子鎮(zhèn)流器往往采用三級(jí)電路，同時(shí)逆變級(jí)為全橋結(jié)構(gòu)，因而成本高，體積大，容易產(chǎn)生噪聲問(wèn)題。

??? 如果將逆變級(jí)的工作頻率提高到聲諧振上限頻率之上，也可以有效地避免聲諧振的問(wèn)題。對(duì)于功率較高、電弧管尺寸較大的HID燈，一般認(rèn)為工作頻率在150kHz以上就可以避免聲諧振的發(fā)生；對(duì)于小功率、電弧管尺寸小的HID燈，上限頻率要提高到幾百kHz才行。

??? 當(dāng)逆變級(jí)工作頻率為幾百kHz時(shí)，可使無(wú)源元件體積減小、成本降低、而且可以避免音頻噪聲。合理設(shè)計(jì)電路的工作點(diǎn)，采用軟開(kāi)關(guān)方式，可以克服高頻工作時(shí)的EMI干擾與損耗的問(wèn)題。

??? 本文提出了一種設(shè)計(jì)超高頻金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的方法，給出了其仿真波形。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明超高頻工作方式可以成功地解決金鹵燈聲諧振的問(wèn)題。

1??? 參數(shù)計(jì)算

??? 大功率電子鎮(zhèn)流器一般都包括PFC級(jí)與逆變級(jí)兩級(jí)電路。經(jīng)過(guò)功率因數(shù)校正級(jí)后，入端功率因數(shù)可達(dá)0.99以上，同時(shí)使后級(jí)直流母線電壓維持在400V。

??? 逆變級(jí)采用半橋電路，如圖1所示，其中Igniter為脈沖點(diǎn)火器。

圖1??? 高頻逆變電路

??? 如果電容C很大，可以將其視為僅起隔直作用。圖2是當(dāng)L=32μH，C=1μF時(shí)，用Pspice仿真得到的開(kāi)關(guān)管電壓波形與負(fù)載電流波形?？梢钥闯?，開(kāi)關(guān)管在負(fù)載電流最大時(shí)關(guān)斷，這時(shí)關(guān)斷損耗最大。在300kHz的工作頻率下，MOS管會(huì)產(chǎn)生很大的開(kāi)關(guān)損耗。

圖2??? L=32μH，C=1μF時(shí)開(kāi)關(guān)管電壓與負(fù)載電流的仿真波形

??? 合理地選擇LCR電路的Q值與工作頻率，使其在串聯(lián)諧振方式下工作，可以有效地減小高頻開(kāi)關(guān)損耗，改善開(kāi)關(guān)波形，進(jìn)而降低EMI噪聲。

??? LCR串聯(lián)諧振電路參數(shù)設(shè)計(jì)如下。

??? LC諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Q，電路工作頻率f_w，特征頻率f_o，金鹵燈等效電阻R，等效負(fù)載電路如圖3所示。

圖3??? LCR等效負(fù)載電路圖

??? Q=（1）

??? f_o=（2）

LCR等效導(dǎo)納Y(ω)為

??? Y(ω)=（3）

燈電壓U_L為

??? U_L=U₁Y(ω)R=（4）

式中：U₁為加在LCR兩端方波電壓的基波有效值，

??? 對(duì)于半橋??? U₁=U_d

??? 對(duì)于全橋??? U₁=U_d

??? 設(shè)定Q值，由式（1），式（2），式（3）和式（4）可以確定L與C的值。

2??? 仿真結(jié)果

??? 將諧振電路的Q值設(shè)為2.5，逆變級(jí)工作頻率為250kHz，由此計(jì)算得到的LCR諧振參數(shù)如下：

??? 燈電感L??? 119μH；

??? 燈電容C??? 5nF。

??? 圖4是開(kāi)關(guān)管電壓與燈電流的Pspice仿真波形。由圖4可以看出開(kāi)關(guān)管在燈電流過(guò)峰值開(kāi)始下降后關(guān)斷。

圖4??? L=119μH，C=5nF時(shí)開(kāi)關(guān)管電壓與負(fù)載電流的仿真波形

3??? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

??? 樣機(jī)的參數(shù)如下：

??? 工作頻率??? 250kHz；

??? 燈電感L??? 110μH；

??? 燈電容C??? 5nF；

??? 圖5給出了燈電壓波形，由于高頻下金鹵燈近似為一純電阻，所以電流波形與電壓波形相同。由圖5中可以看出，開(kāi)關(guān)管是在電流波形有缺口處，即在電流過(guò)峰值開(kāi)始下降后關(guān)斷。在此情況下，MOS管的開(kāi)關(guān)損耗大為降低。

圖5??? 燈電流波形

??? 圖6是將時(shí)間軸放長(zhǎng)后的燈電流波形，將其與聲諧振發(fā)生時(shí)的燈電流波形圖7比較，可以看出：燈電流穩(wěn)定，沒(méi)有低頻抖動(dòng)；圖8給出的燈電弧的照片也表明燈電弧是穩(wěn)定的。

圖6??? 燈電流波形

圖7??? 聲諧振發(fā)生時(shí)燈電流波形

圖8??? 燈電?。ǚ€(wěn)定）

4??? 討論

??? 逆變級(jí)工作頻率在幾百kHz時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗與磁性元件損耗都大為增加，需要合理設(shè)計(jì)參數(shù)與驅(qū)動(dòng)電路，選擇性能更優(yōu)良的磁性材料。諧振方式下，電容的兩端電壓隨Q值增加而增大；同時(shí)，Q值過(guò)高容易使鎮(zhèn)流器的功率偏差增大。

??? 目前的逆變級(jí)采用開(kāi)環(huán)方式，可以采用控制FPC輸出直流電流的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)功率的閉環(huán)控制。

5??? 結(jié)語(yǔ)

??? 采用超高頻點(diǎn)燈的電子鎮(zhèn)流器可以有效地克服高強(qiáng)度氣體放電燈，尤其是金鹵燈所固有的聲諧振問(wèn)題。本文提出了一套設(shè)計(jì)負(fù)載電路參數(shù)的方案。合理地選擇電路參數(shù)，使其在諧振方式下工作，可以有效地降低電路損耗。