基于HID燈數字控制的最大功率輸出研究

鄭會軍，周玉榮

（攀枝花學院 電氣信息工程學院，攀枝花 617000）

0 引言

HID燈的工作模式可分為暫態和穩態，從開始建立點火電壓激發燈管點亮，當燈管進入穩定工作前的時間段稱為暫態；當燈光進入穩定弧光放電階段稱為穩態。燈從啟動到進入穩態經過六個階段：上電、點火、過渡、預熱、升壓和穩定。本文將對穩態階段的功率控制進行分析和研究[1,2]。

HID燈進入穩態后，燈管等效電阻會因使用條件不同而有所差異，所以燈鎮流器所供應的電源需符合燈管電阻變化的特性。傳統的穩態控制方法有恒電壓、恒電流和恒功率三種。恒電壓控制是反饋燈管電壓，并將其控制在一定范圍之內，但隨著燈管使用時間增加，燈管功率將小于額定功率值，會造成燈管輸出流明數不足，燈的輸出功率減小；恒電流控制是對燈管進行電流控制，同樣隨著燈管的老化，燈管自身消耗熱量增加，而發光亮度減小。恒功率控制是同時檢測燈管電壓和電流，將燈管功率消耗控制在一定值。但是隨著時間的推移，恒流和恒壓控制將使燈的發光度減小，恒功率控制也存在當燈管老化，電阻增加時，燈管的發熱增加，同時也造成燈管的發光度降低。針對傳統控制方法存在的不足，本文提出用最大功率跟蹤的控制方法控制燈的穩態運行，最大功率跟蹤控制能確保HID燈始終發出最大的亮度[3～6]。

1 HID燈輸出功率特性曲線分析

下面對HID燈輸出功率和電壓進行理論分析。

圖1電路是目前應用比較廣泛的一種恒功率控制實現方式，TI公司生產的 HID燈專用控制芯片恒功率控制電路。我們對該電路進行分析。在圖1中，KiI0是電流采樣反饋信號，KvU0是電壓采樣反饋信號，Ki和Kv分別是比例系數。

圖1 HID燈恒功率應用電路

由圖1可得：

因此，流過R1、R2的電流I1、I2分別為：

因此有：

輸出功率為：

取Ki=1，Kv=10，Uref=3V,令R1/R2=X，則有：

這是一條以P0(W)為縱軸，U0(V)為橫軸的拋物線，如圖2所示。在拋物線頂點始終有：

圖2 HID燈功率曲線

從圖2中可以看出，電壓在V1→V2區間，只要控制輸出電壓的大小，將會使燈輸出近似恒定的功率。金鹵燈的額定工作電壓一般在85V左右，如果選擇適合的參考值α，就可以使燈正常工作時位于拋物線頂點附近。可以認為，輸出電壓在該區域內變化時，輸出功率近似為恒定。該技術有很好的瞬態響應性能，但是它要求燈管等效阻抗恒定，而實際上，燈管在工作一段時間后會逐漸老化，極間距離增大而引起等效阻抗增大，若采用該種控制方法，鎮流器輸出功率將發生偏差，不能輸出最大的恒定功率。另外，燈啟動過程的控制也非常復雜，需要另外設計控制電路。顯然傳統的控制方存在一定的局限性。

2 一種新型的最大功率恒定控制方法

從以上分析可知，傳統的控制方法存在功率輸出偏差，在燈管老化后，燈阻值發生變化時，如果用恒定的電壓值控制其輸出功率，將始終使燈的功率輸出降低，為了克服燈的阻值發生變化時影響燈的輸出功率。我們提出了圖3的控制思想，其控制方法是：當燈點火成功后，取燈的端電壓和電流，并計算出功率Pn-1，然后再增加開關管的占空比ΔD1計算出當前功率Pn。比較Pn-1和Pn的大小可以判斷當前的功率是不是最大功率，如果不是最大功率將判斷當前功率比上次功率大還是小，將按照圖3繼續比較，最終將確保開關管在一定的占空比時輸出最大的功率，該控制方法與燈管的老化無關，始終將確保HID燈輸出恒定的最大功率。該數字控制方法簡單和可靠。

圖3 最大恒功率控制流程圖

根據圖3的最大恒功率控制思想，按照圖4控制電路原理圖進行仿真分析，我們的仿真思路是：由于HID燈的阻值隨著時間推移在一定時間段發生變化時，燈的工作特性曲線將發生變化，通過圖3的控制方法能否確保HID燈輸出恒定的最大功率。在圖4中[7]，我們假設燈的阻值在(0～10) h、(10～25) h、(25～30) h時間內發生變化，圖6是其輸出功率的仿真波形。從圖6的仿真結果可知，燈的輸出最大功率能跟蹤其阻值的變化。因此，按照圖3的控制思想能克服由于燈管阻值老化，燈的阻值變大造成其輸出功率減小問題。

圖4 HID燈仿真主電路

圖5 HID燈阻值變化曲線

圖6 HID燈功率跟蹤變化曲線

3 實驗驗證

根據圖3的最大恒功率控制思想，對圖4HID燈電路進行實驗驗證，為了實現圖3的控制算法，選用DSP(TMS320F2812)作為算法處理，并控制主電路的開關管PWM驅動信號[8]。圖3中燈的額定功率為354W、額定電壓為65V，開關管選用MOSFET(IRF4905)，開關管頻率f=20KHz，全橋逆變電路上橋臂采用P-MOSFET(IRF4905)，下橋臂采用N-MOSFET(IRF3710)，圖7為最大恒功率測試波形。從圖7中可知，燈光的兩端電壓和電流是恒定的，沒有出現抖動現象。

4 結束語

圖7 HID燈負載電壓和電流測試波形

本文主要分析了HID燈傳統的恒功率控制存在的問題，提出了一種新型最大恒功率控制方法。該控制方法不隨燈管老化以及外界因素的變化而變化。始終輸出最大的功率。通過理論分析和試驗驗證了該方法的可行性。本文的控制思想將為HID燈恒功率最大輸出提供一定的指導作用。

[1] 許建炳.低頻方波HID燈電子鎮流器關鍵技術研究[D].浙江大學.2003.

[2] 張菡.汽車前照氙燈電子鎮流器研究與設計[D].西南交通大學, 2008.

[3] Garcia-Garcia J, Cardesin J, Ribas J, Calleja A J,Corominas E L, Rico-Secades M, Alonso J M.New Control Strategy in a Square-Wave Inverter for Low Wattage Metal Halide Lamp Supply to Avoid Acoustic Resonances.IEEE Transactions on Power Electronics, 2006,21(1): 243-253.

[4] Jun Zhao, Miaosen Shen, Min Chen, and Zhaoming Qian.A Novel Low Frequency Square Wave Electronic Ballast for Low-Wattage HID Lamps.Proceeding of IEEE IAS,2003: 321-324.

[5] 陳傳虞.電子節能燈與電子鎮流器設計與制造[M].人民郵電出版社, 2009.

[6] 路秋生.高頻交流電子鎮流器技術與應用[M].人民郵電出版社, 2004.

[7] 路秋生.常用電子鎮流器電路及應用[M].人民郵電出版社, 2006.

[8] 蘇奎峰, 呂強, 耿慶鋒.TMS320F2812原理與開發[M].北京: 電子工業出版.2005.