一種金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的新型控制方法
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關(guān)鍵詞：金鹵燈電子鎮(zhèn)流器；低頻逆變；恒流源；電流過沖
0 引言
現(xiàn)今，高強(qiáng)度氣體放電燈由于它的發(fā)光效率高、色溫好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于廣場(chǎng)、道路照明等場(chǎng)合。而其中的金屬鹵化物燈由于擁有諸多優(yōu)點(diǎn)更被認(rèn)為是最好的人造光源之一。但是，由于金鹵燈的負(fù)阻特性和特殊的啟動(dòng)要求，必須和與之相匹配的鎮(zhèn)流器共同使用。對(duì)比于傳統(tǒng)的電感式鎮(zhèn)流器，電子鎮(zhèn)流器有著許多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)它的研究和開發(fā)也是電力電子行業(yè)的一大熱點(diǎn)。
為了確保金鹵燈不出現(xiàn)聲諧振，電子鎮(zhèn)流器一般工作于低頻方波狀態(tài)。傳統(tǒng)的低頻方波電子鎮(zhèn)流器包括3級(jí)結(jié)構(gòu)：功率因數(shù)校正電路、降壓電路和全橋逆變電路。這種結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜而且造成了鎮(zhèn)流器的成本昂貴。簡(jiǎn)化電路、降低成本已經(jīng)成為如今研究的重點(diǎn)。一種方法就是把前兩級(jí)功率因數(shù)校正和降壓電路組成一級(jí)。這種方法可以減小鎮(zhèn)流器的體積，但是可能伴隨帶來的問題就是降低了功率因數(shù)校正電路的表現(xiàn)，增加了開關(guān)器件的應(yīng)力等不利因素。另一種方法就是把降壓電路和逆變電路組合在一起。這種方法可以降低鎮(zhèn)流器的體積和成本，但是控制方法可能相對(duì)復(fù)雜。
組合降壓電路和半橋逆變電路在一起的方案是現(xiàn)在比較流行而且可行的方法。因?yàn)檫@種方式的電路相對(duì)最為簡(jiǎn)單，成本最低。為了促進(jìn)這種方案的廣泛應(yīng)用，簡(jiǎn)化它的控制方法，克服這種電路的缺點(diǎn)，提高它的可靠性就成為研究的重點(diǎn)。
本文對(duì)此種電路提出了一種新型控制方法，并且提出一種簡(jiǎn)單有效的方法克服此電路在輸出電流換向時(shí)發(fā)生的電流過沖問題，降低了波峰系數(shù)。
1 電路描述
電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
1.l 電路工作模態(tài)的分析
S1、S2的門極信號(hào)如圖2所示。當(dāng)S1工作于高頻狀態(tài)時(shí)，S2被斷開。此時(shí)，電路等效于一個(gè)Buck電路，S1相當(dāng)于主功率開關(guān)，而S2的體二極管相當(dāng)于Buck的二極管。兩個(gè)開關(guān)管的工作狀態(tài)會(huì)以400Hz的一個(gè)頻率交替變化。這樣，就可以得到一個(gè)低頻的方波電流輸出供給燈。
二極管關(guān)斷時(shí)存在一個(gè)反向恢復(fù)問題，這會(huì)大大增加器件的開關(guān)損耗。為了避免這種情況的發(fā)生，我們讓電路工作在電流斷續(xù)狀態(tài)下。圖3是逆變級(jí)Buck電感電流的狀態(tài)示意圖。
當(dāng)S1工作于高頻狀態(tài)而S2斷開時(shí)，電路工作于3種工作模式。
1.l.l 模式1
S1開通，電流流過C1、S1、Rs、燈、點(diǎn)火電感和Lc圖4是這種模式的等效電路圖。其中點(diǎn)火電感的電感量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電感L的電感量，假設(shè)電容C上的電壓在每個(gè)開關(guān)周期中保持不變，電感L上的電壓VL為
l.1．2 模式2
S1斷開。由于電感電流不能突變，電流流過Rs、燈、點(diǎn)火電感、L、C2和D2o。圖5是此種模式的等效電路圖。電感L的電壓為
1.1．3 模式3
S1仍然處于斷開狀態(tài)。但是電感￡的電流降為零。此時(shí)，電容C給燈提供能量，電流流過C、Rs、燈和點(diǎn)火電感。圖6是此種工作模式的等效電路圖。假設(shè)電容足夠大，電容上的電壓保持不變，我們能夠從式(1)、式(2)中得到輸出的燈電壓為
式中：系數(shù)k1與電感電流下降時(shí)間有關(guān)，在圖3中有著明確的表示。
當(dāng)S1斷開，S2工作于高頻開關(guān)狀態(tài)時(shí)，電路的工作過程基本上和上面的分析一致。
根據(jù)上面的分析，在每半個(gè)低頻周期內(nèi)半橋逆變電路可以等效為一個(gè)Buck降壓電路。從而一個(gè)半橋逆變電路既可以提供給燈一個(gè)合適的T作電壓又能使燈工作于低頻方波狀態(tài)。
1.2 閉環(huán)控制
因?yàn)榻瘥u燈的負(fù)阻特性，為此我們控制鎮(zhèn)流器的輸出呈現(xiàn)為電流源的特性，以保證燈的穩(wěn)定工作。圖7是半橋電路的控制方法框圖。通過Rs采樣燈電流。采樣電阻Rs上的電壓是一個(gè)低頻的方波信號(hào)。首先通過運(yùn)放l把這個(gè)信號(hào)放大，然后經(jīng)過一個(gè)整流電路把這個(gè)交流的方波信號(hào)整流成直流，再經(jīng)過RC濾波后進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)輸出為一個(gè)恒流源?？梢娺@種控制方法等效于DC／DC的控制方法，簡(jiǎn)單且有效。
1.3 電流過沖
但是，這個(gè)電路存在一個(gè)嚴(yán)重問題就是在每個(gè)輸出電流換向的瞬間會(huì)有很大的電流過沖。這樣的尖峰電流會(huì)大大降低燈的使用壽命。本文提出了一種簡(jiǎn)單有效的方法克服這個(gè)問題。
圖8是半橋驅(qū)動(dòng)門極信號(hào)的產(chǎn)生電路，其中的D觸發(fā)器、兩個(gè)與門和兩個(gè)或非門組合在一起用來減小驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比。而這個(gè)功能由控制腳(CP)來控制，當(dāng)CP為高時(shí)，驅(qū)動(dòng)的占空比就可以減小為大約原來的一半。這樣我們就可以在每個(gè)輸出電流換向的瞬間給CP一個(gè)高電平，減小驅(qū)動(dòng)的占空比，以大大減小甚至消除過沖電流。圖9為一個(gè)簡(jiǎn)單CP控制信號(hào)的產(chǎn)牛電路。圖10為腳CP信號(hào)與低頻逆變信號(hào)的時(shí)序圖。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
采用上述控制方法的一個(gè)70W金鹵燈電子鎮(zhèn)流器樣機(jī)已經(jīng)完成。電路主要參數(shù)如下。
L=380 μH；
C=1μF；
Vo=200V；
fh=100 kHz；
f1=400Hz。
其中：fh為半橋電路驅(qū)動(dòng)的高頻和低頻頻率；
f1為半橋電路驅(qū)動(dòng)的低頻頻率。
圖11顯示了輸出電流換向時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的變化。圖12為輸出電流換向時(shí)電感電流的變化，可以看到電流的過沖相當(dāng)小。圖13為點(diǎn)火脈沖，由于點(diǎn)火是在低頻情況下進(jìn)行，所以點(diǎn)火成功率很高。圖14為燈正常工作時(shí)的電流和電壓波形，可以看出燈電流基本沒有電流過沖的情況發(fā)生。整機(jī)效率約為90％，波峰系數(shù)為1．1。
3 結(jié)語
本文提出了一種用于兩級(jí)低頻方波金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的新型控制方法。它調(diào)節(jié)輸出為恒流源，保證了燈的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)克服了電路存在的電流過沖問題。相比與傳統(tǒng)的3級(jí)低頻方波電子鎮(zhèn)流器，這種電路和控制方法簡(jiǎn)單而有效。
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評(píng)論