采用IRS2573D的250 W金鹵燈電子鎮流器電路

路秋生

(北京信息職業技術學院，北京100050)

1 HID燈電子鎮流器與有關照明市場

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點，金鹵燈的發光效率大于100 lm/W，工作壽命可達20 000 h。在金鹵燈的應用場合，金鹵燈內部的工作氣壓高，兩個放電電極之間的間距小，工作時在兩個放電極間距之間直接產生可見光。

今天在許多室外照明應用場合采用HID，HID燈用電子鎮流器需具備點火、預熱、恒功率控制、功率因數校正和針對燈負載與電子鎮流器異常工作狀態的保護控制功能。在實用中，HID燈電子鎮流器的設計和控制較熒光燈電子鎮流器的設計要復雜得多。

表1表示目前市場上常用電光源的市場年復合增長率(CAGR)對比表，可見HID燈在家居、商用和工業領域有很好的應用空間，而白熾燈和鹵鎢燈的應用前景不被看好。

表1 2007～2015年燈產品的市場年復合增長率(CAGR)

2 HID燈的工作過程

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

(1)擊穿:在HID燈點火之前，HID燈呈開路工作狀態。當外加電壓大于HID燈的擊穿電壓時，HID燈內的離子產生雪崩現象，內部氣體發生電離，此時HID燈電壓迅速下降，但是HID燈電壓仍大于額定工作電壓，燈內開始有放電電流產生。

(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，輝光放電階段歷時時間非常短，此時HID燈發出不穩定的微光。

(3)輝光放電轉為電弧放電:輝光放電轉為電弧放電期間是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燈電壓達到它的正常工作電壓(典型值為100 V左右)，燈功率達到它的正常值，這個階段為一短暫過渡階段。

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

圖1 HID燈點火、預熱和工作模式下的燈電壓、燈電流和燈功率工作特性

通過電子鎮流器的控制作用，可以滿足HID燈對預熱、啟動和正常工作的有關技術要求。

3 250 W金鹵燈電子鎮流器的技術要求

使用時金鹵燈需要一個高達3～4 kV(典型值)的點火電壓(如果金鹵燈處于熱點火工作狀態則點火電壓要大于20 kV)，而金鹵燈的工作需經歷預熱工作期間的限電流、正常工作時的恒功率輸出控制等控制環節。金鹵燈工作時需嚴格控制燈功率，以確保每只金鹵燈發光顏色和發光亮度的一致性。并且，金鹵燈的驅動電源為低頻交流電壓(典型低頻交流驅動電壓工作頻率不大于200 Hz)，以避免金鹵燈工作時的汞遷移和避免產生聲共振的問題，在聲共振的情況下會導致金鹵燈損壞。

對250 W金鹵燈正常工作時的主要技術要求如下:

(1)正常工作時的輸出功率:250 W;

(2)正常工作燈電壓:100 Vrms;

(3)正常工作燈電流:2.5 Arms;

(4)預熱時間:不低于2.0 s;

(5)燈點火電壓:4 000 Vpk。

下面介紹采用IRS2573D的金鹵燈用電子鎮流器有關技術要求和控制方法，并給出了有關電路工作原理圖。

4 250 W金鹵燈電子鎮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流器工作時產生的噪聲對電網的干擾和電網高頻干擾信號對電子鎮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校正電路用于實現功率因數校正，并穩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，全橋功率輸出級為金鹵燈負載提供驅動功率，完成金鹵燈的點火，并使金鹵燈正常工作。

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Buck變換器也起將升電壓輸出有源功率因數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全橋變換器直流供電電壓，為下級全橋輸出級供電。Buck變換器工作于電流連續導通工作模式(CCM)或電流臨界導通工作模式(CRM)，這取決于燈負載的工作狀態。

圖3表示Buck變換級和全橋變換級的電路工作原理框圖，在金鹵燈的預熱期間，一旦完成了金鹵燈的點火，金鹵燈的燈電壓很低，但是金鹵燈的工作電流很大，通過反饋控制回路控制Buck變換器的導通時間，從而完成對金鹵燈工作電流的控制，在金鹵燈穩定工作期間，通過燈功率反饋回路的控制作用控制Buck變換器的導通時間(如圖3所示乘法器的燈功率輸出信號)，從而完成對金鹵燈的燈功率控制。在金鹵燈的預熱工作期間，Buck變換器的電流連續導通工作模式(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2 金鹵燈電子鎮流器的典型工作原理框圖

假定Buck變換器的400 V輸入直流電壓保持恒定(即升電壓輸出有源功率因數校正電路的400 V輸出電壓保持恒定)，取Buck變換器的正常工作頻率為70 kHz，則Buck電感的參數可以利用下式計算:

由 V總線=400 V，V燈=100 V，f=70 kHz，I燈=2.5 A，有

通過全橋變換電路為金鹵燈提供所需的燈電流和燈電壓，全橋變換電路的典型工作頻率為200 Hz，脈沖占空比為50%。在圖3所示的點火控制電路中的雙向觸發二極管DIGN用以產生金鹵燈點火所需的4 kV點火脈沖電壓，通過MIGN的導通來觸發點火電路的工作，RC回路的放電時間常數由電阻RIGN和電容CIGN決定。當雙向觸發二極管DIGN兩端的電壓達到它的觸發閾值電壓VDIAC時，雙向觸發二極管DIGN擊穿，在點火脈沖變壓器TIGN的初級繞組會產生一個點火脈沖電壓，從而在點火脈沖變壓器TIGN的次級升電壓繞組產生金鹵燈點火所需的4 kV點火脈沖電壓。

總線

圖3 Buck變換級和全橋變換級的電路工作原理框圖

這里采用了一片ASIC控制集成電路IRS2573D，用它完成對Buck變換級和全橋輸出級的控制，完成對金鹵燈幾個工作模式的控制，使金鹵燈正常工作。IRS2573D的工作狀態圖如圖4所示。

圖4 IRS2573D的工作狀態圖

在IRS2573D內部含有Buck變換器控制、全橋變換器控制、燈電壓和燈電流檢測、燈功率和燈電流反饋控制環路、Buck變換級(BUCK引腳)的600 V高端柵極驅動輸出電路，并具有逐周期過電流保護控制功能(CS引腳)，Buck開關的導通時間由燈功率控制環路(PCOMP引腳)或燈電流限制環路(ICOMP引腳)控制，Buck開關的關斷時間在臨界導通工作模式下由電感電流過零檢測輸入(ZX引腳)控制信號控制，或由連續導通工作模式(CCM)下的關斷定時輸入信號(TOFF引腳)決定。

IRS2573D內部還集成了600 V全橋高低端驅動電路，全橋電路的工作頻率由接至外部定時引腳(CT引腳)的元器件參數決定，燈電流和燈電壓的取樣信號(VSENSE和ISENSE引腳)相乘后得到的信號可以反映燈功率的情況，通過點火定時輸出信號(IGN引腳)驅動外接點火MOSFET管的導通、截止完成燈的點火控制(如圖3所示)。點火電路由MOSFET管(MIGN)、雙向二極管(DIGN)、電容(CIGN)、電阻(RIGN)和輸出升壓點火變壓器(TIGN)組成，點火定時通過外接(TIGN引腳)元器件的參數來決定點火電路的導通、截止時間。同時，在IRS2573D內部也集成了可編程故障定時器(TCLK引腳)，用以在各種故障情況下設定可用于關斷IRS2573D的故障持續時間。這些故障例如燈點火失敗、燈預熱失敗、燈壽命終止、燈電弧不穩定、燈輸出電路開路或短路等。IRS2573D含有HID燈電子鎮流器電路所需的有關控制功能。

采用IRS2573D的250 W金鹵燈電子鎮流器的Buck變換級和全橋變換級的電路工作原理圖如圖5所示。

圖5 Buck變換級和全橋變換級的電路工作原理圖

5 小結

由于HID燈具有節能、工作壽命長和輸出功率大的特點，使HID燈在道路照明和室內照明的應用場合得到了廣泛的應用。但是，HID燈電子鎮流器的設計是一件較復雜的工作。

由于電路采用了HID燈電子鎮流器專用集成電路IRS2573D，并采用三級電路結構(APFC，Buck變換級和全橋變換級)，所以極大地簡化了HID燈電子鎮流器電路的設計，這個電路根據需要稍加改動即可以應用于不同功率等級的金鹵燈電子鎮流器電路。

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