數(shù)字式5kW紫外燈電子鎮(zhèn)流器的研究與設計

由式(1)可得，最小電感量為394μH，實際應用中采用了單邊電感量為180μH的非晶磁芯的共模電感，串聯(lián)后電感量為500μH。采用共模電感是為了濾除電路中的共模分量，減小關(guān)鍵器件所承受的電壓應力。輸出電容容量的大小決定了Buck電路輸出電壓紋波的強弱，工程應用中常利用式(2)進行計算：

式中：L為Buck電路電感量；Ts為Buck電路工作周期；△Uτ為滿足輸出要求的紋波電壓。
由式(2)可得，最小電容量為9．6μF，實際應用中選用10μF／1．2 kV的高頻薄膜無感電容。

4 控制系統(tǒng)設計
4．1 電子鎮(zhèn)流器控制策略
Buck電路控制從燈擊穿到穩(wěn)態(tài)工作的全部過程，是整個電子鎮(zhèn)流器的核心。紫外燈從啟動到正常工作需經(jīng)歷3個階段，即啟動階段、恒流預熱階段和功率跟隨階段。紫外燈的啟動和預熱階段采用電流閉環(huán)的恒流控制，功率跟隨階段采用內(nèi)環(huán)電流、外環(huán)功率的雙環(huán)恒功率控制。
(1)啟動階段 電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)啟動完畢后，進行紫外燈啟動，采樣當前Buck輸出電壓和電流，如果此時電壓小于50 V，并且電流在2～10 A之間，則將紫外燈運行階段標志置為第2階段。如果不滿足上述條件則仍使紫外燈運行控制程序運行在第1階段。在此階段中僅進行每100μs一次的電流數(shù)字PID閉環(huán)調(diào)節(jié)。PID調(diào)節(jié)時，如果采樣所得電流小于2 A，則用較小的比例系數(shù)Kp進行調(diào)節(jié)，使得Buck占空比慢慢增大，同時限制Buck電路的最大占空比為10％，因為此時紫外燈未被擊穿，Buck電路相當于空載，經(jīng)過幾個工作周期后Buck電路輸出電容的電壓便會升高到紫外燈的擊穿電壓；如果采樣所得電流大于2 A，則用較大的Kp進行調(diào)節(jié)，這時紫外燈剛被擊穿，需要快速地將電流控制在合理的范圍內(nèi)，因此需采用較大的Kp進行調(diào)節(jié)，使得Buck電路的占空比迅速減小，從而使得燈電流迅速下降。
(2)預熱階段 轉(zhuǎn)換到預熱的第2階段后，采樣當前Buck電路的輸出電壓和電流，DSP可算得當前的功率，若此時功率大于設定功率的80％，則將紫外燈運行階段標志置為第3階段，否則仍使紫外燈運行控制程序運行在預熱階段。
在此階段中也只進行每100μs一次的電流數(shù)字PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，且此時紫外燈的工作狀態(tài)相對較穩(wěn)定，其等效內(nèi)阻會隨著溫度的升高而增大，這時PID調(diào)節(jié)器只需調(diào)節(jié)Buck電路的占空比使得當前負載滿足恒流的要求。
(3)功率跟隨階段 轉(zhuǎn)換到功率跟隨的第3階段后，紫外燈運行控制程序便重復在這一階段工作，除非進行新一次的啟動過程。在此階段中進行電流與功率的雙數(shù)字PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，電流PID調(diào)節(jié)的時間間隔是100μs，而功率PID調(diào)節(jié)器的時間間隔是1 ms。由于采用了電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，且每100μs計算一次，整個電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)可等效為一個恒流源，即具有非常高的輸出阻抗。同時采用分段控制具有采樣量少，控制簡單較易實現(xiàn)等優(yōu)點。圖3示出閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖，圖4示出紫外燈控制策略的流程圖。