一種70 W恒功率金鹵燈電子鎮流器

吉 宇，王念春，黃星星，盛曉東，余振中

（東南大學電氣工程學院，南京210096）

引言

金屬鹵化物燈(MHL)作為綠色照明光源中高壓氣體放電燈（HID）的典型代表，具備高光效、顯色性好、功率高、壽命長等優點而被稱為最理想的光源，廣泛應用在各種場合，如汽車前燈、放映機燈等。金鹵燈作為一種氣體放電燈，具有負阻特性，所以必須使用鎮流器來保證其穩定工作。傳統的電感式鎮流器結構簡單、技術成熟且成本很低，但由于其尺寸較大、功率因數低、受輸入電壓變化影響較大等問題已逐漸被更為先進的電子式鎮流器所取代。本文介紹了一種基于單片機控制的數字式三級式恒功率金鹵燈電子鎮流器，詳細分析了其拓撲結構的各級電路構成，設計了單片機控制電路及軟件流程。并依此研制了70 W金鹵燈電子鎮流器的樣品，測試結果顯示這種鎮流器性能良好，達到了設計指標要求。

1 鎮流器基本拓撲結構

現在相關行業領域已經提出了多種電子鎮流器的控制思想，其中的一個共同點是尋求在穩定工作的同時避免聲諧振現象的發生。為了避免聲諧振，必須調節燈的工作頻率使其遠離聲諧振頻帶。這可以有多種方法，如使燈工作在高頻 （約數百kHz）信號加低頻調制狀態；也可以使金鹵燈工作在超高頻（數MHz）來避免聲諧振，但是這樣會導致開關損耗的增加。實踐應用表明，低頻方波驅動金鹵燈的方案是消除聲諧振現象最有效的解決方法。

低頻方波驅動MHL方案應用最為廣泛的是三級式電子鎮流器，其最適宜產品化。三級式電子鎮流器的基本構成如圖1所示，第一級功率因數校正電路通常采用Boost APFC電路，在減小電流諧波提高功率因數的同時，為之后的功率控制級電路提供恒定直流母線電壓；第二級功率控制級采用Buck降壓電路來控制燈的功率；第三級即為全橋逆變電路，其輸出低頻方波來驅動金鹵燈。在本設計中，當金鹵燈進入穩態運行，全橋輸出153 Hz的低頻方波，這樣可以很好地避免聲諧振現象[1,2]。

圖1 三級式電子鎮流器拓撲結構

2 各級電路結構設計

2.1 EMI濾波器與整流環節

產品化的電子鎮流器輸入通常都為標準交流輸入，而為實現低頻方波驅動MHL，同時實現恒功率控制，希望輸入為恒定電壓，所以需要對輸入進行變流，一般采用不控的全橋整流。電子鎮流器與外部電網之間可能存在相互干擾，如來自電網的電壓畸變及其他電磁干擾可能會使鎮流器性能受到影響，同時鎮流器自身產生的電磁干擾也可能進入電網，污染電網電磁環境，所以需要用EMI濾波器來消除兩者間的相互干擾。由于在兩系統接口處各種干擾最為嚴重，故EMI濾波器應放在鎮流器輸入接口處。一般采用交流線路EMI濾波器，可以有效地抑制差模與共模噪聲。

2.2 功率因數校正電路

鎮流器的PFC級功率電路用來修正輸入電壓與電流波形相位，以提高鎮流器的功率因數，使其達到相應的產品要求標準。PFC電路設計為寬電壓輸入，同時采用Boost升壓輸出電路的形式，輸出為恒定電壓，本文中設計為400 V，以利于后面產生金鹵燈點火所需要的數千伏高壓。PFC電路工作模式可分為連續導電模式（CCM）、斷續導電模式（DCM）及臨界斷續導電模式（CRM）。其中在臨界斷續導電模式下頻率與脈寬均可調，電路結構簡單，控制相對簡單，在450 W以內的電子鎮流器中應用廣泛。所以在本設計中采用工作在CRM模式下的Boost APFC電路。

Boost APFC電路控制芯片選用ST公司的L6561，可工作在CRM模式下，為峰值電流控制方式，適合應用在低功率場合。

2.3 Buck功率控制電路

Buck功率控制電路是實現金鹵燈的穩態控制，主要是指恒功率控制。所謂的恒功率控制就是保證金鹵燈在正常工作時，輸出功率保持不變。輸出功率決定了金鹵燈的流明輸出和相關色溫指數，恒功率下金鹵燈的光輸出及相關色溫指數均會十分穩定，不僅可以保證照明質量，同時也可以延長金鹵燈的使用壽命。

Buck電路的輸出功率是通過Buck電路中開關管的開關占空比來控制的。而開關管占空比是通過反饋控制信號與參考信號比較來獲得的。參考信號指用來控制輸出功率的一個恒定電平，而反饋控制信號可通過Buck開關管上電流反饋信號與Buck輸出電壓反饋信號相加來獲得，如圖2。通過適當地選取兩反饋信號的增益，就可以實現MHL的恒功率控制。這種控制策略是比較理想的，可以在很大程度上消除金鹵燈自身或工況原因造成的等效阻抗變化的影響[3]。

圖2 恒功率控制電路示意圖

2.4 全橋及點火電路

全橋控制采用兩個半橋驅動器IR2103來分別驅動全橋的一對上、下橋臂，一個半橋驅動電路結構如圖3。IR2103為高電壓高速功率MOS管及IGBT驅動器，擁有獨立的高、低參考電平輸出通道，驅動設計邏輯十分簡單，如圖4，易于軟件程序流程設計，適用于低成本的電子鎮流器。

圖3 IR2103控制的半橋驅動電路結構

金鹵燈是一種氣體放電燈，在啟動時需要一個高壓脈沖觸發，使得燈管內的氣體擊穿放電，該電壓應當不低于燈管的最低啟動電壓，同時，該電壓也不能太高，點火電壓太高一方面會增加對陰極的濺射，另一方面也會對電路其他器件的可靠性造成影響。金屬鹵化物燈電子鎮流器的啟動電路必須能夠提供很高的啟動電壓擊穿弧隙產生電弧，并且應該具有在起弧后自動關閉的功能。一種脈沖點火電路如圖5所示。

圖4 IR2103輸出驅動邏輯

圖5 點火電路結構

當燈啟動前，全橋的輸出電壓比雙向觸發管Dig的崩潰電壓要高，Dig擊穿構成通路，形成上升幅度較大的脈沖電流，因互感效應使變壓器副邊產生高壓以點亮金鹵燈，同時由于電容Cig充電電壓上升，使通過Dig的電流逐漸減小，直到關斷，此時電容兩端電壓因充電反向，為全橋電路電壓反向時點火啟動提供點火高壓。金鹵燈啟動后阻值很小，變壓器副邊形成通路，副邊電壓較小，使得原邊電壓低于Dig的崩潰電壓因此Dig處于關斷狀態，不會再產生高壓，電路能夠穩定工作。其中L1，L2起到抗高壓的作用，都取 0.1 mH；Cig取 0.22 μF/630 V；Dig取崩潰電壓為300 V的雙向觸發管。

3 單片機控制電路及程序流程設計

單片機控制與保護電路的功能主要是完成金鹵燈的啟動控制及實現金鹵燈穩定工作時的監測和保護，確保整個系統的正常運行。金鹵燈啟動過程比較復雜，為了簡化控制，采用分段匹配金鹵燈負載特性的線性控制策略，將整個啟動過程分為高壓觸發、過渡階段、恒功率運行三個狀態。

軟件程序流程基于金鹵燈自身的特性，金鹵燈在點火之前處于高阻狀態，需要一個高壓觸發，點火成功后，金鹵燈兩端電壓瞬間下降到較低水平并維持一段時間，接著電壓升高直至其穩態工作電壓。當點火成功后，點火電路中Dig處于關斷狀態，變壓器原邊這路不再工作。Buck輸出經全橋逆變后直接加在變壓器副邊那路，認為Buck輸出電壓就和金鹵燈兩端電壓幾乎相等。故可以通過檢測Buck輸出電壓的變化來精確判斷點火是否成功，具體控制策略如下：高壓觸發階段Buck電路工作于Burst-mode工作方式，也即使Buck電路保持一個穩定的空載輸出高電壓，這個電壓一般由前面的PFC電路決定，本設計中為400 V。由于開機后這個電壓的建立需要一段時間，所以需要單片機進行檢測，當檢測到Buck電路輸出電壓低于一定量值時，可認為電路故障，系統進入待機狀態；當檢測到其大于350 V時，即可由單片機控制全橋芯片IR2103產生驅動方波，驅動頻率從120 Hz遞增，步長2 Hz，上限150 Hz，全橋輸出對金鹵燈進行點火。金鹵燈點火成功后會進入一個約100 s左右的過渡階段，過渡階段可分為兩個階段，第一個階段為低壓維持階段，燈兩端電壓維持在一個較低的水平，第二個階段燈兩端電壓開始升高直至其穩態工作電壓。所以在開始產生全橋驅動脈沖后，同時檢測Buck輸出電壓，若電壓小于某一設定值，則可認為點火成功，降低全橋工作頻率以減少其輸出方波中脈沖尖峰的干擾。當Buck輸出電壓開始上升直至設定值時，則再次改變全橋工作頻率為燈穩定工作時的頻率，使之輸出為153 Hz的恒頻方波，電路進入恒功率控制階段 ，并不斷對電路進行監控保護[4]。

鎮流器工作中若出現沒有接金鹵燈或者燈壞掉的情況，會出現不停的點火現象；另外當金鹵燈過熱時，其所需啟動電壓會升至萬伏以上，此時鎮流器輸出的高壓脈沖不足以點亮金鹵燈，也會出現不斷點火的現象。長時間過高的電壓脈沖對電子鎮流器和燈都有危險。為了保護電路的安全，必須避免這種情況的發生。若點火不成功的話，可判斷電子鎮流器開路、燈出現故障或者燈管過熱。若是燈管過熱，延遲一段時間后，等到燈管冷卻下來再進行點火，如此反復15次，若點火仍不成功，則可判斷電子鎮流器處于開路狀態或燈出現故障，則單片機發出控制信號使電子鎮流器停止工作以等待維修。此外，工作時還要通過溫度傳感器檢測整個系統，若系統溫度過高，超過某一設定值，則單片機控制Buck、全橋停止工作，只有當系統溫度再次低于一定溫度時電路才重新工作。

4 實驗結果及分析

根據以上的分析設計，制作了70 W三級式恒功率金鹵燈電子鎮流器的原型，對其進行測試以驗證其性能。該電子鎮流器的設計要求如下：輸入范圍：170～250 VAC/50 Hz，工作電壓變化之下，輸出電壓變化小于±2%；功率因數PF＞0.95；電流總諧波（THD）值＜15%；輸出功率：70～76 W； Buck電路開關頻率：50 kHz左右；點火電壓脈沖＞3 kV。

圖6 穩態后MHL兩端電壓采樣波形

在金鹵燈成功點亮進入穩態后，測試金鹵燈兩端電壓為約91 V，如圖6(經分壓器采樣得到)，金鹵燈在進入穩態運行后其等效電阻約115 Ω，則電路輸出功率為91*91/115=72 W，符合設計要求；使用調壓器調節輸入使其在170～250 VAC間變化，分別測試穩態時金鹵燈兩端電壓，測試結果顯示其始終維持在91 V，電壓變化率遠遠小于2%；從圖7的波形中可以看出Buck電路開關頻率為1/20 μs=50 kHz,符合設計要求。

圖7 穩態Buck電路MOS管驅動信號

5 結語

本文介紹了一種基于單片機控制的三級式恒功率金鹵燈電子鎮流器，分析了其硬件結構設計及軟件程序流程，并依此研制了70 W電子鎮流器樣品。測試結果顯示這種鎮流器能夠安全有效地驅動金鹵燈，其成本較低，可靠性高，保護功能完善，調整靈活，有著較好的市場前景。

[1]張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M]．北京：電子工業出版社，2002.

[2]宋成杰，周立新，鐘嫄.低頻小功率金鹵燈電子鎮流器的研制[J].照明工程學報，2002，（9）:29-30.

[3]陳傳虞.電子節能燈與電子鎮流器的原理和制造 [M].北京：人民郵電出版社，2004：72-87，134-311.

[4]吳其昆，馬皓，祁豐.基于ARM微控制器的金鹵燈用電子鎮流器[J].電力電子技術，2006，（4）:6-7.