采用IRS2573D的250W金鹵燈電子鎮(zhèn)流器電路

摘要： 介紹了采用IRS2573D 的250 W 金鹵燈電子鎮(zhèn)流器電路工作原理與應(yīng)用。IRS2573D 是IR 公司新近推出的一款HID 燈電子鎮(zhèn)流器用控制集成電路，具有集成度高和控制功能強(qiáng)的特點(diǎn)，是一款專用ASIC 集成電路，可用于不同輸出功率等級(jí)HID 燈電子鎮(zhèn)流器的應(yīng)用場(chǎng)合。利用IRS2573D 構(gòu)成的HID 燈電子鎮(zhèn)流器具有外圍電路簡(jiǎn)單，工作可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)。

1 HID 燈電子鎮(zhèn)流器與有關(guān)照明市場(chǎng)

常用HID 燈有金鹵燈、汞燈和鈉燈，它們具有工作效率高和輸出功率大的優(yōu)點(diǎn)，金鹵燈的發(fā)光效率大于100 lm/W,工作壽命可達(dá)20 000 h.在金鹵燈的應(yīng)用場(chǎng)合，金鹵燈內(nèi)部的工作氣壓高，兩個(gè)放電電極之間的間距小，工作時(shí)在兩個(gè)放電極間距之間直接產(chǎn)生可見(jiàn)光。

今天在許多室外照明應(yīng)用場(chǎng)合采用HID,HID 燈用電子鎮(zhèn)流器需具備點(diǎn)火、預(yù)熱、恒功率控制、功率因數(shù)校正和針對(duì)燈負(fù)載與電子鎮(zhèn)流器異常工作狀態(tài)的保護(hù)控制功能。在實(shí)用中，HID 燈電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)和控制較熒光燈電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)要復(fù)雜得多。

表1 表示目前市場(chǎng)上常用電光源的市場(chǎng)年復(fù)合增長(zhǎng)率( CAGR) 對(duì)比表，可見(jiàn)HID 燈在家居、商用和工業(yè)領(lǐng)域有很好的應(yīng)用空間，而白熾燈和鹵鎢燈的應(yīng)用前景不被看好。

表1 2007 ~ 2015 年燈產(chǎn)品的市場(chǎng)年復(fù)合增長(zhǎng)率( CAGR)

2 HID 燈的工作過(guò)程

HID 燈主要有四個(gè)工作階段，分別是擊穿、輝光放電、輝光放電轉(zhuǎn)為電弧放電和電弧放電。

( 1) 擊穿： 在HID 燈點(diǎn)火之前，HID 燈呈開(kāi)路工作狀態(tài)。當(dāng)外加電壓大于HID 燈的擊穿電壓時(shí)，HID 燈內(nèi)的離子產(chǎn)生雪崩現(xiàn)象，內(nèi)部氣體發(fā)生電離，此時(shí)HID 燈電壓迅速下降，但是HID 燈電壓仍大于額定工作電壓，燈內(nèi)開(kāi)始有放電電流產(chǎn)生。

( 2) 輝光放電： 在輝光放電期間HID 燈電壓迅速下降，而HID 燈電流迅速上升，輝光放電階段歷時(shí)時(shí)間非常短，此時(shí)HID 燈發(fā)出不穩(wěn)定的微光。

( 3) 輝光放電轉(zhuǎn)為電弧放電： 輝光放電轉(zhuǎn)為電弧放電期間是HID 燈的主要溫度加熱階段，在此階段HID 燈電壓小于額定工作電壓，HID 燈電流大于額定工作電流，隨著HID 燈工作溫度的上升，燈電壓逐漸增加，而燈電流將逐漸減小。最終，HID 燈電壓達(dá)到它的正常工作電壓( 典型值為100 V 左右) ,燈功率達(dá)到它的正常值，這個(gè)階段為一短暫過(guò)渡階段。

( 4) 電弧放電階段： 進(jìn)入電弧放電階段后，燈電極之間的電弧趨于穩(wěn)定，燈進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，HID 的燈電流、燈電壓和燈功率工作特性如圖1 所示。

圖1 HID 燈點(diǎn)火、預(yù)熱和工作模式下的燈電壓、燈電流和燈功率工作特性

通過(guò)電子鎮(zhèn)流器的控制作用，可以滿足HID 燈對(duì)預(yù)熱、啟動(dòng)和正常工作的有關(guān)技術(shù)要求。

3 250 W 金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的技術(shù)要求

使用時(shí)金鹵燈需要一個(gè)高達(dá)3 ~ 4 kV( 典型值)的點(diǎn)火電壓( 如果金鹵燈處于熱點(diǎn)火工作狀態(tài)則點(diǎn)火電壓要大于20 kV) ,而金鹵燈的工作需經(jīng)歷預(yù)熱工作期間的限電流、正常工作時(shí)的恒功率輸出控制等控制環(huán)節(jié)。金鹵燈工作時(shí)需嚴(yán)格控制燈功率，以確保每只金鹵燈發(fā)光顏色和發(fā)光亮度的一致性。并且，金鹵燈的驅(qū)動(dòng)電源為低頻交流電壓( 典型低頻交流驅(qū)動(dòng)電壓工作頻率不大于200 Hz) ,以避免金鹵燈工作時(shí)的汞遷移和避免產(chǎn)生聲共振的問(wèn)題，在聲共振的情況下會(huì)導(dǎo)致金鹵燈損壞。

對(duì)250 W 金鹵燈正常工作時(shí)的主要技術(shù)要求如下：

( 1) 正常工作時(shí)的輸出功率： 250 W;( 2) 正常工作燈電壓： 100 Vrms;( 3) 正常工作燈電流： 2. 5 Arms;( 4) 預(yù)熱時(shí)間： 不低于2. 0 s;( 5) 燈點(diǎn)火電壓： 4 000 Vpk.

下面介紹采用IRS2573D 的金鹵燈用電子鎮(zhèn)流器有關(guān)技術(shù)要求和控制方法，并給出了有關(guān)電路工作原理圖。

4 250 W 金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的電路工作原理

金鹵燈的典型電路工作原理框圖如圖2 所示，圖中的EMI 濾波器以阻斷電子鎮(zhèn)流器工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲對(duì)電網(wǎng)的干擾和電網(wǎng)高頻干擾信號(hào)對(duì)電子鎮(zhèn)流器正常工作的干擾。全波橋式整流電路用以將交流輸入市電整流輸出為直流電，升電壓輸出有源功率因數(shù)校正電路用于實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，并穩(wěn)定直流輸出母線電壓，降壓輸出Buck 變換器用于控制金鹵燈工作電流，全橋功率輸出級(jí)為金鹵燈負(fù)載提供驅(qū)動(dòng)功率，完成金鹵燈的點(diǎn)火，并使金鹵燈正常工作。

圖2 金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的典型工作原理框圖

在圖2 所示的電路中的Buck 變換器用以控制金鹵燈工作電流和燈功率，同時(shí)Buck 變換器也起將升電壓輸出有源功率因數(shù)校正電路輸出的直流高電壓變換為適合于金鹵燈工作的下級(jí)全橋變換器直流供電電壓，為下級(jí)全橋輸出級(jí)供電。Buck 變換器工作于電流連續(xù)導(dǎo)通工作模式( CCM) 或電流臨界導(dǎo)通工作模式( CRM) ,這取決于燈負(fù)載的工作狀態(tài)。

圖3 表示Buck 變換級(jí)和全橋變換級(jí)的電路工作原理框圖，在金鹵燈的預(yù)熱期間，一旦完成了金鹵燈的點(diǎn)火，金鹵燈的燈電壓很低，但是金鹵燈的工作電流很大，通過(guò)反饋控制回路控制Buck 變換器的導(dǎo)通時(shí)間，從而完成對(duì)金鹵燈工作電流的控制，在金鹵燈穩(wěn)定工作期間，通過(guò)燈功率反饋回路的控制作用控制Buck 變換器的導(dǎo)通時(shí)間( 如圖3 所示乘法器的燈功率輸出信號(hào)) ,從而完成對(duì)金鹵燈的燈功率控制。在金鹵燈的預(yù)熱工作期間，Buck 變換器的電流連續(xù)導(dǎo)通工作模式( CCM) 可以允許在Buck 電感不飽和的情況下為金鹵燈提供更大的工作電流。

圖3 Buck 變換級(jí)和全橋變換級(jí)的電路工作原理框圖