金鹵燈電子鎮(zhèn)流器動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性研究??

摘要：介紹了一種250W金鹵燈電子鎮(zhèn)流器，電路由PFC，Buck變換器和全橋逆變器組成。為了避免聲諧振，全橋逆變器工作在200Hz低頻方波，并在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)地研究金鹵燈的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性。

關(guān)鍵詞：電子鎮(zhèn)流器；金屬鹵化物燈；聲諧振

1??? 引言

??? 目前，金屬鹵化物燈因其光效高，顯色性好，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已在眾多的照明領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。但由于其伏－安特性非線性的緣故，需要鎮(zhèn)流器進(jìn)行啟動(dòng)和穩(wěn)弧放電。

??? 氣體放電燈，特別是金鹵燈在高頻工作時(shí)有聲諧振的問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致弧光的不穩(wěn)定、色溫的變化、甚至息弧。克服聲諧振的方法主要有：

??? 1）使氣體放電燈工作在極高頻^[2]，超出聲諧振的頻率范圍，但是由于開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成正比，散熱和效率問(wèn)題會(huì)變得異常突出；

??? 2）使氣體放電燈工作在調(diào)頻狀態(tài)[^3]，使得聲諧振不可能形成，但是各個(gè)廠家生產(chǎn)的氣體放電燈在外形上不太一樣，無(wú)聲諧振的頻帶也不一樣，所以也比較困難；

??? 3）使氣體放電燈工作在低頻方波，聲諧振的頻帶一般在幾kHz到1MHz，所以聲諧振一般就不會(huì)形成了。

??? 本文采用三級(jí)的電子鎮(zhèn)流器，工作于低頻方波模式，并采用恒功率控制，避免了采用恒流控制方法而導(dǎo)致的隨著燈泡的老化而燈電壓升高的問(wèn)題。

2??? 電路拓?fù)?

??? 本文介紹的250W電子鎮(zhèn)流器如圖1所示，是 針 對(duì) 美 國(guó) 電 網(wǎng) 市 電 標(biāo) 準(zhǔn) 開 發(fā) 的 ， 所 以 輸 入 電 壓 為 交 流120 V。 為 了 獲 得 較 高 的 功 率 因 數(shù) ， 第 1級(jí) 功 率 因 數(shù) 校 正 電 路 （ PFC） 將 120V交 流 電 轉(zhuǎn) 換 為 240 V直 流 ， 第 2級(jí) DC/DC變 換 器 用 作 恒 功 率 控 制 ， 第 3級(jí) DC/AC逆 變 器 將 直 流 轉(zhuǎn) 變 為 200 Hz方 波 電 壓 。 由 于 金 鹵 燈 燈 需 要 2～ 3 kV的 點(diǎn) 火 電 壓 ， 所 以 加 了 一 個(gè) 單 級(jí) 的 點(diǎn) 火 器 ， 用 來(lái) 產(chǎn) 生 高 壓 脈 沖 。 恒 功 率 控 制 采 樣 了 Buck變 換 器 （ 第 2級(jí) DC/DC） 的 輸 出 電 壓 和 電 流 來(lái) 控 制 Buck變 換 器 的 PWM驅(qū) 動(dòng) 信 號(hào) 。

圖1??? 電子鎮(zhèn)流器總框圖

3??? 電路工作原理

第??? 1級(jí)電路如圖2所示，由EMI濾波器和PFC電路組成。其中PFC電路采用MC34262芯片控制，可以獲得接近于1的功率因數(shù)，它將交流120V轉(zhuǎn)變?yōu)?40V直流，作為下一級(jí)DC/DC變換器的輸入。

圖2??? 第1級(jí)PFC主電路

??? 第2和第3級(jí)的主電路如圖3所示，分別由一個(gè)Buck變換器和一個(gè)全橋逆變電路組成。當(dāng)金鹵燈起輝前，由于負(fù)載開路，電流檢測(cè)為零，Buck控制輸出最大占空比，Buck電路輸出為240V左右，經(jīng)R3向C₃充電，當(dāng)充到雙向觸發(fā)管(SIDAC)的觸發(fā)電壓時(shí)，觸發(fā)管導(dǎo)通，C₃放電，高壓加在升壓變壓器T₁的原邊，副邊輸出一個(gè)2～3kV的高壓脈沖，加在金鹵燈的兩端，提供其點(diǎn)火電壓，如果一次點(diǎn)火失敗，C₃又被充電，重復(fù)以上過(guò)程，直到金鹵燈被點(diǎn)亮。當(dāng)金鹵燈點(diǎn)亮后電流增大，則Buck變換器的輸出將會(huì)下降，穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)大約在120V，低于SIDAC的觸發(fā)電壓，不會(huì)產(chǎn)生高壓脈沖，當(dāng)燈泡壞了以后不需要關(guān)掉電源，只要重新?lián)Q上新的燈泡又可以重新點(diǎn)亮。

圖3??? 第2和第3級(jí)主電路

4??? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

??? 一個(gè)250W電子鎮(zhèn)流器樣機(jī)驗(yàn)證了上述方案，元件參數(shù)如下：L_Boost=180μH，C_Boost=400μF,L_Buck=120μH，CBuck=1μF，R_Sense=0.1Ω，R₁=200kΩ，R₂=256Ω，R₃=100kΩ，C₃=1μF，T₁匝比=1∶20。圖4是C₃兩端的電壓波形。可以看到SIDAC的觸發(fā)頻率是3.6Hz，即大概需要280ms，當(dāng)SIDAC觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，副邊感應(yīng)出一個(gè)高壓脈沖，波形如圖5所示，尖峰電壓達(dá)到2kV。

圖4??? C₃兩端的電壓

圖5??? 燈兩端點(diǎn)火時(shí)電壓

??? 1）動(dòng)態(tài)特性

??? 圖6顯示了燈從啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)的整個(gè)過(guò)程中電壓電流的變化，從中可以看到恒功率的控制過(guò)程，燈從啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)大概需要150s。圖7和圖8分別是燈電壓、燈電流隨時(shí)間變化曲線，燈電壓是隨時(shí)間慢慢增長(zhǎng)的，相反燈電流是隨時(shí)間慢慢降低的。金鹵燈在啟動(dòng)過(guò)程中經(jīng)歷了4個(gè)階段：氣體電離階段，輝光放電階段，輝光放電向弧光放電過(guò)渡階段以及弧光放電維持升壓階段。圖9是燈等效電阻隨時(shí)間的變化曲線，由于燈電阻的非線性，所以要用恒功率控制。

圖6??? 燈電壓、電流動(dòng)態(tài)過(guò)程

圖7??? 燈電壓－時(shí)間曲線

圖8??? 燈電流－時(shí)間曲線

圖9??? 燈電阻－時(shí)間曲線

??? 2）穩(wěn)態(tài)特性

??? 圖10是燈的穩(wěn)態(tài)電壓、電流波形。可以看到電壓和電流是同相位的，電壓和電流是線性的，功率因數(shù)接近于1，所以穩(wěn)態(tài)時(shí)金鹵燈可以看作是一個(gè)電阻，250W金鹵燈大概為62Ω。

圖10??? 燈兩端穩(wěn)態(tài)電壓、電流波形

5??? 結(jié)語(yǔ)

??? 實(shí)驗(yàn)研究表明本文介紹的三級(jí)電子鎮(zhèn)流器具有可靠性高，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，啟動(dòng)電路簡(jiǎn)單，實(shí)用。文中同時(shí)給出了250W金鹵燈的穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。