應用于投影儀的高頻數字化金鹵燈電子鎮流器

王懿杰 張相軍 王 衛 徐殿國

（哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院 哈爾濱 150001）

1 引言

自投影儀問世以來，其在教學、商務演示以及會議等場所得到了廣泛的應用，而隨著其成本的降低，功率密度的提高，正在逐漸走入家庭，成為家庭用品。

投影儀用光源一般有三種：即超能燈（UHP）、高壓汞燈（UHE）以及金屬鹵化物燈。超能燈價格昂貴，一般應用于高端的投影儀。高壓汞燈（UHE）廣泛應用于投影儀中，但其為點光源，一旦損壞，將不能使用，且其價格仍然較高，更換的成本也較大。金屬鹵化物燈價格低廉，更換成本較低，且相對于點光源來說，不易損壞，所以成為低成本投影儀的首選[1-2]。

金屬鹵化物燈為高壓氣體放電燈的一種，具有負阻特性，所以必須與鎮流器搭配使用。而傳統的電感鎮流器功率因數較低、體積大且極其笨重，所以輕小而高性能的電子鎮流器已經成為發展的趨勢[3-4]。為簡化電子鎮流器的電路結構，提高其功率密度，本文采用飛斯卡爾公司的 8位單片機M908Q4ACE來實現對電子鎮流器的數字控制。

半橋結構在鎮流器中應用非常廣泛，LCsCp諧振啟動由于不需額外附加啟動電路也得到了廣泛的應用[5-7]。由于LCsCp電路中有三個無源元件，在實際應用中均有一定偏差，造成了系統的不穩定性，所以如何在參數的可變化范圍內實現可靠啟動，成為一個難題。本文將研究 LCsCp可靠的數字啟動方式，使其能夠最大限度的適應參數的離散變化。同時提出基于數字控制的過渡以及功率閉環控制方法，此處為避免聲諧振現象，采用了高頻調制的驅動方式。

2 系統整體結構

圖1所示為系統整體結構圖。本文所研究鎮流器共分五部分：EMI濾波器、全橋整流電路、功率因數校正電路、半橋電路以及控制電路。如圖1所示，單相交流電經EMI濾波器后再經全橋整流，然后經過功率因數校正電路輸入到半橋，確保母線電壓為 400V，單片機檢測燈的狀態然后發出相應的PWM 信號來控制開關管的導通與關斷。此處功率因數校正部分選用了基于臨界模式控制的安森美公司的MC33262芯片。

圖1 電子鎮流器整體結構圖Fig.1 Configuration of the electronic ballast

3 LCsCp系統整體結構電路分析

從文獻[8,9]可知，氣體放電燈的動態模型可用其增量阻抗表示為

式中，zL(s)表示燈的增量阻抗；vL(s)表示燈電壓的擾動量；iL(s)表示燈電流的擾動量。

在此模型中，z為一個負實數而 k為正實數，則知其高頻下增量阻抗如式（2）所示

由于R∞是一個正實數，所以氣體放電燈在超高頻下是趨于正阻性的。本文中選用的氣體放電燈為佛山照明生產的 150W 金鹵燈，經測試在 150kHz以上工作頻率不再發生聲諧振現象。考慮到燈參數的離散性，采用了高頻調制的驅動方式來避免聲諧振，半橋LCsCp電路等效電路如圖2所示。

圖2 半橋LCsCp諧振逆變器等效電路Fig.2 Equivalent circuit of half-bridge LCsCp resonance inverter

由文章[10]可知，基于頻率控制的正弦信號x(t)可表示成一個復雜的矢量形式為

式中，ωs(t)表示變量的瞬時角頻率。

則可得到LCsCp的小信號模型如圖3所示。由圖3可求鎮流器的輸出阻抗，實際中如鎮流器的輸出阻抗與燈的增量阻抗之和為正，整個系統即為穩定的。

圖3 LCsCp電路小信號模型圖Fig.3 Small signal model of LCsCp circuit

4 數字控制方法研究

4.1 啟動控制策略

LCsCp串并聯負載諧振變換器即可提供穩定的啟動電壓也可在穩態時提供足夠的燈電壓。在實際中 Cs?Cp，則在啟動時 Cp起主要作用而在穩態時Cs起主要作用。下表給出了 LCsCp諧振變換器串聯諧振和并聯諧振的特征參數。

與胡漢民、汪精衛相比，蔣介石是以軍事起家而進入國民黨高層，在意識形態上傾向于保守和集權，尤其仰賴暴力機器的力量去達到政治目的。胡漢民、汪精衛從晚清始就是激進革命者，通過輿論宣傳和黨務工作獲得國民黨內的領袖地位。胡漢民的主張或更接近孫中山遺教的真意，汪精衛的建國主張則更具現代色彩。然而，在后孫中山時代，國民黨內的黨統之爭，卻以背離孫中山遺教程度最大的蔣介石勝出而終結，亦是一種意識形態上的悖論，但此種悖論由中國共產黨終結，恰又重回意識形態競爭的固有邏輯。〔本文受南京師范大學2016年度“青藍工程”骨干教師科研基金資助〕

表 LCsCp電路特征參數Tab. Parameters of LCsCp inverter

串并聯負載諧振電路的電壓傳輸特性為

圖4所示為LCsCp電路的傳輸特性曲線。傳統的LCsCp滑頻方式為設定起始頻率1點和終止頻率2點，然后滑頻，如果在 3點上燈亮，則由于燈阻抗迅速減小，系統進入圖4左側的諧振腔，然后設定初始頻率4點，使系統具有相應的初始功率以維持燈內氣體電離。

圖4 負載諧振電路電壓幅頻特性Fig.4 LCsCp circuit voltage gain

此方法的不足之處為 LCsCp中存在三個無源元件，電感值的偏差為10%左右，而電容值的偏差一般為20%左右，雖然可以買到更高精度的電容，但其價格昂貴，以 5%精度的電容為例，其價格是精度為20%的電容的數十倍。則在啟動時，很可能終止頻率太高而導致無法使燈啟動，也有可能由于起始頻率太低而導致上電瞬間沖擊電流過大，使鎮流器損壞，當起始頻率在諧振峰值時最為危險。

本文中，LCsCp諧振網絡參數的離散性對電壓增益Hv的影響程度通過電壓增益Hv相對于各個參數的靈敏度來分析。單位靈敏度定義為

如靈敏度為負值，表明隨著參數的增加，電壓增益是下降的，反之則電壓增益為上升的。

此處定義 k=ω/ωp，則電壓增益 Hv關于并聯電容 Cp、串連電容 Cs以及串聯電感 L的靈敏度如下式所示

為降低參數離散性影響，把截止頻率設置為 5點，即滑頻截止頻率滑過諧振峰值點，然后對燈電壓進行采樣，對啟動的最大電壓進行限制，則在實際應用中可以把初始頻率升高，截止頻率降低到峰值以下，這樣就能適應無源元件參數的離散性，同時對于老燈也有更強的適應性。程序流程如圖 5a所示。圖5b為啟動時滑頻示意圖，f2為器件參數無偏差時的截止頻率。左右兩側諧振腔表示無源器件的參數變化范圍，則由于電壓的限制，無論諧振頻率如何變化，系統均可得到足夠高的啟動電壓，唯一不同的是滑頻范圍在f3-f0～f1-f0間變化。

圖5 系統啟動流程圖與滑頻示意圖Fig.5 Flow chart and sweeping diagram in ignition stage

4.2 過渡以及功率閉環控制

在過渡期間，如調節過快，會導致功率過沖。同時系統di/dt與du/dt較大，也可導致鎮流器損壞，所以此處采用開環控制的方法，即恒頻控制。在恒頻控制中，隨著燈阻抗的增加，燈電壓將逐漸增加直到燈功率達到額定功率進入功率閉環。

LCsCp穩態母線電流波形圖如圖6a所示，則將母線電流作傅里葉分解，可得

式中

可得輸入平均功率為

經化簡可得

穩態工作時，燈功率Plamp與逆變器輸入平均功率Pin-av存在如下關系

式中，η 為逆變級效率。

如果母線電壓恒定，燈功率和母線平均電流是成正比的，可以通過采樣母線平均電流來控制功率，此處通過采樣 Rs兩端的電壓來對母線電流進行采樣，經低通濾波器可得逆變器的平均母線電流，然后通過控制半橋電路的工作頻率來實現對燈功率的控制。此處為避免聲諧振，采用了高頻調制的控制策略，即以工作頻率為中心頻率，實際工作頻率在中心頻率左右來回波動。這樣集中在單個頻率點上的高頻能量，被拓寬到一定帶寬的頻帶上，有效避免了聲諧振的發生。

圖6 燈功率閉環控制示意圖Fig.6 Schematic diagram of the closed-loop control for the lamp power

圖6b為功率閉環控制框圖而圖6c為功率閉環控制的子程序流程圖，此處對母線電流多次采樣取平均值以消除誤差。此處的故障保護，指的是在燈出現開路和短路的情況下能夠停止工作，保護鎮流器，特別是開路時，此時 LCsCp諧振電路的品質因數較高，輸出電壓電流均很大，如果長時間工作在此狀態，必將使鎮流器損壞。由于系統采樣的母線電流實際上為有功電流，所以無論開路或短路發生，其值都會迅速降低，所以在實際應用中判斷系統發生故障可通過判斷母線平均電流采樣值是否降到一個較低的數值。同時為區別開路和短路，實際中也對燈電壓進行了采樣，如果母線電流較低同時燈電壓較高則為開路。判斷出系統出現故障，MCU將迅速封鎖PWM輸出來保護電路。

5 實驗結果

圖7所示系統電路圖，包括主電路與控制電路兩部分。其中控制電路由采樣電路與驅動電路組成，其中CD4046用來實現壓控振蕩器的功能。單片機發出的PWM信號先轉化為直流信號，通過壓控振蕩器轉換為頻率信號，最后通過驅動電路轉換為半橋電路的驅動信號。

圖7 系統電路圖Fig.7 Circuit of the system

在此系統中，選擇系統工作頻率為 166kHz，Cs/Cp一般取值在100以上，本文中的比值為400，而Cp值一般較小，此處取為1.65nF，則可確定Cs的取值，由測試可知燈額定功率為150W，此時燈電壓為110V左右，燈電流為1.6A左右，則由式（4）可求出串聯電感的取值，最終參數取值為 Cs=680nF，Cp=1.65nF，L=90μH。則諧振頻率為 130kHz，此處選擇初始頻率與截止頻率分別為180kHz與110kHz，燈的啟動電壓為1 500V，限幅電壓設為2 000V。

為驗證啟動策略的準確性，只需比較新燈與老燈的啟動波形即可。圖8a所示為鎮流器新燈熱燈滑頻測試圖，圖8b所示為鎮流器老燈熱燈滑頻測試圖，則知系統無論在新燈或老燈狀態下，都能得到相等的足夠高的啟動電壓，印證了啟動方法的高適應性與正確性。同時實驗中，共制作20臺樣機，所選參數為電感在10%內變化，電容20%內變化，經測試，所有鎮流器均可可靠啟動。圖8c為系統開路時燈電壓采樣波形而圖8d為系統短路時母線電流采樣波形，可知系統在發生故障時，均可靠保護。圖8e為系統穩態時輸出電壓電流波形，圖 8f為系統穩態時的李薩如圖，可知系統在高頻工作下時是呈阻性狀態的。

圖8 實驗測試波形Fig.8 Test results in the experiment

圖9為系統輸入、輸出測試圖，可知系統輸入以及輸出功率均平穩上升，與設計相符，同時在接近180s達到穩態后，其輸出功率保持恒定，測試用時598s，證明了閉環控制策略的正確性。圖9為遠光 UI2000電子鎮流器測試裝置測試得到，在高頻下的顯示參數并不準確，在此主要測試其輸出曲線，實際效率經測試為93.06%。圖10所示為鎮流器樣機以及投影儀樣機，經測試，其在工作中無聲諧振現象發生，燈弧穩定飽滿。

圖9 系統測試波形Fig.9 Test results of the system

圖10 系統樣機Fig.10 Prototype used in the laboratory

6 結論

本文提出一種數字控制投影儀用金鹵燈電子鎮流器，提出了可靠的啟動方法，考慮了系統參數的離散性。提出了可靠的過渡過程控制策略、閉環以及保護策略，經測試，系統可可靠啟動、過渡平穩、功率閉環準確，在系統發生開路以及短路時可迅速保護。

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