數(shù)字化大功率金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的研究與設(shè)計(jì).doc

畢業(yè)論文智能數(shù)字化大功率金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的研究與設(shè)計(jì)Research And Design On Digital Electronic Ballast For High Wattage Metal Halide Lamps智能數(shù)字化大功率金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的研究與設(shè)計(jì)摘要 金屬鹵化物燈因其光效好、顯色性好、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在照明領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。大功率金屬鹵化物燈，則越來越被廣泛應(yīng)用于體育場館、廠房車間等需要大范圍照明的場合。金屬鹵化物燈由于其負(fù)阻特性，需要配合鎮(zhèn)流器才能夠正常工作，而目前傳統(tǒng)的電感鎮(zhèn)流器仍然占領(lǐng)著大部分的國內(nèi)市場。電感鎮(zhèn)流器體積大、重量沉、諧波含量高、噪音大、功率因數(shù)低，大量使用會(huì)對電能質(zhì)量和用電環(huán)境帶來比較嚴(yán)重的影響。本文研究的數(shù)字化電子鎮(zhèn)流器采用了包括有源功率因數(shù)校正電路和全橋逆變LCC諧振電路組成的兩級式結(jié)構(gòu)，并使用Freescale公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)作為控制核心，以方便地實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、穩(wěn)態(tài)工作、故障保護(hù)等各項(xiàng)功能。電子鎮(zhèn)流器的出現(xiàn)則改變了這一現(xiàn)狀，本文對數(shù)字化大功率金屬鹵化物燈電子鎮(zhèn)流器進(jìn)行了較為深入的分析和研究。關(guān)鍵字 金鹵燈；電子鎮(zhèn)流器；有源功率因數(shù)校正；Research And Design On Digital Electronic Ballast For High Wattage Metal Halide LampsAbstract Metal halide lamps have wide application in the field of lighting,because of their high efficacy,good color rendition,long life and other advantages.High wattage metal halide lamps are widely used in gyms,plant workshops and other large-scale lighting places.Because of its negative V-I characteristics,metal halide lamp has to work with ballast,and the electromagnetic ballast is still widely used.Electromagnetic ballast has many disadvantages such as its large size,heavy weight,low power factor and high THD.The electric power quality and environment are deteriorated by the extensive use of electromagnetic ballast. An active power factor correction(APFC)circuit and a full-bridge inverter with LCC resonant circuit are adopted as the electronic ballast main topology.Also,a 8-bit FreescaleMCU is used as the core of electronic ballast in order to make the ignition,power control and failure protection more convenient. Keywords Metal halide lamp electronic ballast APFC;目 錄第一章 緒論11.1課題背景11.2電子鎮(zhèn)流器相關(guān)技術(shù)簡介21.2.1常用電光源的分類21.2.2金屬鹵化物燈的發(fā)光機(jī)理及分類31.2.3金屬鹵化物燈的基本電氣特性41.3電子鎮(zhèn)流器技術(shù)的發(fā)展和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀41.3.1鎮(zhèn)流器的工作原理41.3.2電感鎮(zhèn)流器的局限性51.3.3電子鎮(zhèn)流器技術(shù)的起源和發(fā)展方向61.3.4國內(nèi)外電子鎮(zhèn)流器技術(shù)研究現(xiàn)狀71.4本課題的主要研究內(nèi)容8第二章 大功率金屬鹵化燈電子鎮(zhèn)流器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)92.1大功率金屬鹵化物燈電子鎮(zhèn)流器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)92.2有源功率因數(shù)校正電路102.2.1臨界導(dǎo)電模式功率因數(shù)校正電路的原理分析102.2.2工作原理分析112.3橋式逆變電路和負(fù)載諧振電路112.4數(shù)字控制器設(shè)計(jì)142.4.1數(shù)字控制器硬件電路設(shè)計(jì)152.4.2數(shù)字控制器軟件程序設(shè)計(jì)152.5本章小結(jié)16第三章 大功率金鹵燈啟動(dòng)及恒功率控制策略的研究173.1引言173.2全橋LCC串并聯(lián)諧振電路分析173.3大功率金屬鹵化物燈啟動(dòng)方式的研究213.4大功率金鹵燈過渡過程分段控制思想233.5全橋逆變電路保護(hù)策略的研究243.6本章小結(jié)25第四章 1000W 金鹵燈電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)264.1引言264.2 LCC負(fù)載諧振電路參數(shù)設(shè)計(jì)264.2.1理論計(jì)算264.3輔助控制電源設(shè)計(jì)284.4輸入沖擊電流抑制電路294.5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)304.6本章小結(jié)32結(jié) 論33致 謝 語34參考文獻(xiàn)35V第一章 緒 論1.1課題背景“綠色照明（Green Lights）”這一概念最早由美國國家環(huán)保局（EPA）于1991年提出并開始實(shí)施，是美國國家環(huán)保局主辦的一個(gè)自愿性質(zhì)的項(xiàng)目，參與者可以在保持照明質(zhì)量的同時(shí)大幅度減少用于照明的支出，用于此目的的投資年回報(bào)可以高達(dá)30%以上1。美國、英國、法國、日本等發(fā)達(dá)國家和一些發(fā)展中國家先后制定了綠色照明計(jì)劃，并取得了明顯的效果2。事實(shí)上，照明的質(zhì)量和水平已成為衡量社會(huì)現(xiàn)代化和人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志。由于高頻交流電子鎮(zhèn)流器的節(jié)能和巨大的市場潛力，進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，各種負(fù)阻性氣體放電燈用高頻電子鎮(zhèn)流器不斷涌現(xiàn)，形成了一個(gè)“綠色照明”的新興產(chǎn)業(yè)。1995年4月，我國國務(wù)院草擬了節(jié)約能源法，5月正式提交人大常委會(huì)審議，同年又由原國家經(jīng)貿(mào)委牽頭，由國家計(jì)委、國家科委、電力部、電子工業(yè)部、建設(shè)部、輕工業(yè)總會(huì)等有關(guān)單位領(lǐng)導(dǎo)組成領(lǐng)導(dǎo)班子，并由中國節(jié)能協(xié)會(huì)、中國照明電器學(xué)會(huì)、中國照明協(xié)會(huì)、國家計(jì)委能源研究所、清華大學(xué)、北京電光源研究所等單位組成專家組，正式開始了中國綠色照明工程的籌劃工作，并首先在廣東、上海由建設(shè)部組織試點(diǎn)3?！爸袊G色照明工程”主要包括以下內(nèi)容：制定我國的“綠色照明”法規(guī)、條例；采用發(fā)光效率高、光色好、壽命長、安全和性能穩(wěn)定的電光源；采用自身功耗小、噪聲低，對環(huán)境和人身無污染的燈具電器附件采用光能利用率高、耐久性好、安全美觀的照明燈具；采用傳輸率高、使用壽命長、電能損耗低、安全可靠的配電材料和節(jié)能的調(diào)光控制設(shè)備等。綠色照明是指通過科學(xué)的照明設(shè)計(jì),采用效率高、壽命長、安全和性能穩(wěn)定的照明電器產(chǎn)品(電光源、燈用電器附件、燈具、配線材料,以及調(diào)光控制和控光器件),改善人們工作、學(xué)習(xí)、生活的條件,從而創(chuàng)造一個(gè)高效、舒適、安全、經(jīng)濟(jì)、有益的環(huán)境并充分體現(xiàn)現(xiàn)代文明的照明4。金屬鹵化物燈（以下簡稱金鹵燈）由于光效高、光色好、節(jié)能等特點(diǎn)，成為綠色照明工程的首選產(chǎn)品。據(jù)有關(guān)資料表明，2000年全國金鹵燈的年產(chǎn)量352.25萬只。2001年全國金鹵燈生產(chǎn)企業(yè)近30家，總產(chǎn)量已達(dá)834.8萬只。截至目前，國內(nèi)已經(jīng)從美國完整地引進(jìn)了8條金鹵燈生產(chǎn)線，還有許多廠家引進(jìn)內(nèi)膽封裝?？傮w來說，金鹵燈市場需求大于供應(yīng)5。但是，傳統(tǒng)的低效、高能耗工頻電感鎮(zhèn)流器仍舊占領(lǐng)著絕大部分的市場份額，一些科研單位和公司推出的金鹵燈電子鎮(zhèn)流器還不能滿足實(shí)際需要，它們大都采用復(fù)雜的純硬件電路，成本高，可靠性差，并且功能單一。因此，金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的研究是當(dāng)前電子鎮(zhèn)流器研究的熱點(diǎn)之一。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是近幾年來低成本單片機(jī)的廣泛應(yīng)用6-8，電子鎮(zhèn)流器技術(shù)也逐漸走向數(shù)字化。采用新型低成本單片機(jī)為控制核心的電子鎮(zhèn)流器不僅可以通過軟件簡化硬件電路設(shè)計(jì)，同時(shí)也為滿足現(xiàn)代高質(zhì)量的照明要求提供了可能9,10。1.2電子鎮(zhèn)流器相關(guān)技術(shù)簡介自從愛迪生發(fā)明電燈泡，世界從此進(jìn)入了一個(gè)光明的時(shí)代。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電光源新產(chǎn)品層出不窮。而對于氣體放電燈來說，不論是低壓氣體放電燈還是高強(qiáng)度氣體放電燈，都離不開一種電器裝置鎮(zhèn)流器。因此，研究電光源和鎮(zhèn)流器的相關(guān)技術(shù)是本課題不可或缺的內(nèi)容。1.2.1常用電光源的分類凡可以將其他形式的能量轉(zhuǎn)換為光能，從而提供光通量的設(shè)備、器具統(tǒng)稱為光源；而其中可以將電能轉(zhuǎn)換為光能，從而提供光通量的設(shè)備、器具則稱為電光源。常用的電光源有：熱致發(fā)光電光源（如白熾燈等）；氣體放電發(fā)光電光源（如熒光燈、汞燈、鈉燈、金鹵燈等）；固體發(fā)光電光源（如LED和場制發(fā)光器件等）。常用電光源分類如圖1-1所示11。利用熱致發(fā)光原理制成的電光源制作簡單、成本低，但是發(fā)光效率低，其余的能量則以熱的形式消耗掉。而熒光燈（Florescent）、高強(qiáng)度氣體放電燈（HID）等氣體放電發(fā)光器件的發(fā)光效率比熱輻射電光源就要高很多，它們的發(fā)光效率為普通白熾燈的數(shù)十倍，一般情況下，可以逐步用發(fā)光效率高的氣體放電電光源替代熱輻射電光源。由于氣體放電燈在燈的發(fā)光效率和工作壽命方面具有白熾燈無可比擬的優(yōu)勢，因此，從它誕生之日起就一直受到人們的廣泛關(guān)注，由此派生的產(chǎn)品可謂異彩紛呈。氣體放電電光源，主要是指弧光放電電光源和輝光放電電光源?；」夥烹婋姽庠从挚煞譃榈蜌鈮悍烹婋姽庠春透邚?qiáng)度氣體放電電光源。圖1-1電光源的分類Fig.1-1 Classification of light source低氣壓氣體放電電光源以熒光燈、低壓鈉燈為代表；高強(qiáng)度氣體放電電光源以高壓水銀熒光燈、高壓鈉燈和金鹵燈為代表。其中，金鹵燈具有發(fā)光效率高、顯色性好、功率大等特點(diǎn)，適用于劇院、總裝車間、體育場館等大面積照明場所應(yīng)用。近些年來，許多其他類型的新型電光源在不斷的產(chǎn)生和發(fā)展，如準(zhǔn)分子光源、微波光源以及固體光源（如LED）等。而固體發(fā)光光源，如發(fā)光二極管、等離子體發(fā)光器件等，它們的發(fā)光效率高，但是目前還不能實(shí)現(xiàn)大功率，所以固體發(fā)光器件要進(jìn)入大規(guī)模實(shí)用階段還有一段距離。但是半導(dǎo)體發(fā)光二極管這種電光源由于其顯著的優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為是21世紀(jì)最有前途的電光源。1.2.2金屬鹵化物燈的發(fā)光機(jī)理及分類氣體放電所需要的能量是通過電子從外電場獲得的。這些自由電子首先被外電場加速并與氣體原子發(fā)生彈性和非彈性碰撞。彈性碰撞會(huì)引起電弧管內(nèi)氣體溫度逐漸升高，而非彈性碰撞產(chǎn)生進(jìn)一步的激發(fā)和電離。當(dāng)受激原子返回基態(tài)時(shí)，所吸收的能量以輻射發(fā)光的形式釋放出來。自由電子不斷地被外電場加速，上述過程就不斷的在電弧管內(nèi)進(jìn)行。電子與氣體原子碰撞的同時(shí)也限制了電子流動(dòng)，因此也就決定了氣體放電燈電流的大小。實(shí)際應(yīng)用中，電弧管內(nèi)充有多種氣體成份。而參與放電的每一種氣體都發(fā)揮著各自的重要角色。雖然金鹵燈的品種很多，但按其光譜特性大致可分為以下四種：一是選擇幾種發(fā)出強(qiáng)線光譜的金屬的碘化物，把它們加在一起，得到白色的光源，最典型的例子就是碘化鈉碘化輪被化銦燈。二是利用在可見區(qū)能發(fā)射大量密集線光譜的金屬，得到類似于日光的白光碘化鍋碘化鉛燈就是其典型的例子。三是利用高氣壓的金屬蒸汽放電或利用分子發(fā)光產(chǎn)生連續(xù)輻射獲得日光色的光，超高壓銦燈和氯化錫燈都屬于這一類。四是利用具有很強(qiáng)的共振輻射的金屬產(chǎn)生色純度很高的光，例如碘化鉈汞燈能發(fā)出綠光。在以上大四類中，前三類用于照明，大部分用作一般照明（如街道照明，室內(nèi)照明，車間照明等），也有一部分用于特殊照明。1.2.3金屬鹵化物燈的基本電氣特性金屬鹵化物燈電弧放電是一個(gè)非常復(fù)雜的物理過程。對于電路設(shè)計(jì)者來說，最關(guān)心的是金屬鹵化物燈在電源驅(qū)動(dòng)下，所表現(xiàn)出的基本電氣特性：1、啟動(dòng)特性：大功率的金屬鹵化物燈在利用諧振電壓方式點(diǎn)燈的情況下，啟動(dòng)電壓一般不超過2kV，而帶有輔助電極的金屬鹵化物燈的啟動(dòng)電壓更低。2、負(fù)阻特性：大部分的氣體電光源呈現(xiàn)燈電壓隨燈電流增加而非線性下降的趨勢，即負(fù)阻特性12,13。具有負(fù)阻特性的金屬鹵化物燈是不能單獨(dú)工作的，必須和電子鎮(zhèn)流器一起工作才能穩(wěn)定。1.3電子鎮(zhèn)流器技術(shù)的發(fā)展和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1鎮(zhèn)流器的工作原理由于氣體放電燈(如熒光燈、金鹵燈等)是一種具有如圖1-2a)所示V-I特性的負(fù)阻性電光源，即V/I為負(fù)值，從圖中可以看出，當(dāng)燈電流上升時(shí)，燈管的工作電壓下降，但是供電電壓不會(huì)下降，多出的這點(diǎn)電壓加到燈管后會(huì)使燈電流進(jìn)一步上升，如此循環(huán)，最終燒壞燈管或者燈管熄滅1。所以要使燈管正常工作，必須在放電燈回路中串入適當(dāng)正阻抗元件，用以限制和穩(wěn)定燈電流，這個(gè)限流裝置叫做鎮(zhèn)流器，如圖1-3所示。顯然在交流運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，最佳正阻抗元件是電感器，這就是在工頻工作狀態(tài)下為什么大部分鎮(zhèn)流器均采用電感的原因。目前氣體放電燈常用的鎮(zhèn)流器有兩種：電感式鎮(zhèn)流器和高頻交流電子鎮(zhèn)流器。由于電感式鎮(zhèn)流器工作在工頻市電頻率，體積大、笨重，還需消耗大量銅和硅鋼等金屬材料，散熱困難、工作效率低、燈發(fā)光有頻閃，所以現(xiàn)在一些電光源界的科技工作者紛紛尋找新的鎮(zhèn)流方法，而高頻交流電子鎮(zhèn)流器就是一種有效方法。鎮(zhèn)流電路的工作特性曲線如圖1-2所示。a)氣體放電燈的負(fù)阻特性曲線 b)鎮(zhèn)流電路工作特性曲線圖1-2氣體放電燈和鎮(zhèn)流電路伏安特性曲線Fig.1-2 V-I characteristics of HID lamp and ballast circuit圖1-3鎮(zhèn)流電路原理圖Fig.1-3 Basic diagram of ballast circuit1.3.2電感鎮(zhèn)流器的局限性為了減小鎮(zhèn)流元件中的能量損耗，一般將氣體放電燈設(shè)計(jì)在交流電源下工作，并采用不消耗有功功率的電抗性元件電感做鎮(zhèn)流器。雖然電感鎮(zhèn)流器具有壽命長、可靠性高等顯著優(yōu)點(diǎn)，但是采用電感鎮(zhèn)流器的照明系統(tǒng)不可避免的具有下述幾個(gè)固有缺點(diǎn)。1、功率因數(shù)低。采用電感鎮(zhèn)流器的照明系統(tǒng)功率因數(shù)一般僅為0.4左右，這種照明系統(tǒng)的大量使用增加了電網(wǎng)的無功負(fù)擔(dān)，破壞了電能質(zhì)量和用電環(huán)境14,15，與“綠色照明”的趨勢背道而馳。2、重量大、損耗大、噪音大和頻閃。交流供電系統(tǒng)的頻率只有幾十赫茲，所以以電感等無源元件構(gòu)成的鎮(zhèn)流器在工頻下要起到有效的限流效果就要有較大的元件標(biāo)稱值，同時(shí)也會(huì)有較大的重量。而且在工頻下交流電感產(chǎn)生的電磁振蕩是人耳可以聽到的，這就形成了電感式鎮(zhèn)流器特有的工頻噪聲和工頻閃爍問題。3、功率穩(wěn)定性差且功能單一。當(dāng)電網(wǎng)電壓和燈特性變化時(shí)，功率變化大，會(huì)加速燈管老化，影響照明效果。而且電感式鎮(zhèn)流器缺少必要的故障保護(hù)功能，很難實(shí)現(xiàn)智能化管理。1.3.3電子鎮(zhèn)流器技術(shù)的起源和發(fā)展方向針對電感鎮(zhèn)流器存在的這些弊端，早在20世紀(jì)50年代就有人開始對其進(jìn)行研究改進(jìn)，并提出了采用電子鎮(zhèn)流器的設(shè)想。1963年Roddam在晶體管變流器與換能器一書中首次發(fā)表了熒光燈交流電子鎮(zhèn)流器具體電路，并進(jìn)行了詳細(xì)的分析和討論，只是由于當(dāng)時(shí)沒有可供選擇的功率開關(guān)晶體管，Roddam的設(shè)計(jì)方案并未得到實(shí)施。在20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的世界性能源危機(jī)，導(dǎo)致了許多公司致力于新型節(jié)能電光源及熒光燈交流電子鎮(zhèn)流器的研究。半導(dǎo)體技術(shù)的日新月異的飛速發(fā)展，促進(jìn)了各種作為開關(guān)使用的高電壓功率器件不斷出現(xiàn)，為交流電子鎮(zhèn)流器的產(chǎn)生提供了前提條件。荷蘭飛利浦等公司率先研制成功了熒光燈交流電子鎮(zhèn)流器，這是照明電器發(fā)展史上的一項(xiàng)重大創(chuàng)新。最初的電子鎮(zhèn)流器研究只是基于這樣一種簡單的設(shè)想：提高鎮(zhèn)流器中“鎮(zhèn)流”元件的工作頻率，就可以在鎮(zhèn)流電感阻抗相同的情況下大大減小電感的標(biāo)稱值，從而大大減小電感的體積，消除工頻工作時(shí)的噪聲和頻閃。同時(shí)，氣體放電燈在較高的頻率下工作會(huì)有更高的光效（普通直管型熒光燈可以提高10%20%）。其基本結(jié)構(gòu)如圖1-4所示16。圖1-4電子鎮(zhèn)流器基本結(jié)構(gòu)框圖Fig.1-4 Basic diagram of electronic ballast當(dāng)今的金屬鹵化物燈電子鎮(zhèn)流器技術(shù)從本質(zhì)上仍然體現(xiàn)著“高頻化”這一思想，只是隨著相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展，在實(shí)現(xiàn)形式和研究深度上都有了很大的進(jìn)步。目前，電子鎮(zhèn)流器技術(shù)研究主要是圍繞提高照明質(zhì)量、改善照明環(huán)境、減少電力污染等幾個(gè)方面展開的，并突出的表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1、高性能的專用集成控制芯片、新型功率器件的出現(xiàn)加快了電子鎮(zhèn)流器集成化、高能量密度和高可靠性的進(jìn)程。隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，高性能的電子鎮(zhèn)流器專用集成控制芯片和新型的功率開關(guān)器件已成為國際上幾家主要的半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家致力研究與推廣的重要產(chǎn)品。各知名公司開發(fā)的有源功率因數(shù)校正(APFC)芯片使電子鎮(zhèn)流器的性能大幅度提高。這些功能不一的芯片不僅具有PFC的控制功能，還發(fā)展到集PFC與鎮(zhèn)流器驅(qū)動(dòng)、控制和各種保護(hù)于一體，從而使電子鎮(zhèn)流器電路得到簡化。新型功率器件(POWERMOSFET、IGBT等)在開關(guān)速度、開關(guān)損耗、單管容量等關(guān)鍵問題上近年都有突破性進(jìn)展。2、電工理論及自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法提高了電子鎮(zhèn)流器的整機(jī)性能。近年來國際上有關(guān)功率電子學(xué)、功率電子線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究成果和論文在國際學(xué)術(shù)會(huì)議、重要學(xué)術(shù)期刊中和科技動(dòng)態(tài)報(bào)道中占了很大的比例。這些新結(jié)構(gòu)、新方法對于電子鎮(zhèn)流器這樣的應(yīng)用研究所造成的影響與沖擊的意義重大而深刻。3、大功率電子鎮(zhèn)流器技術(shù)的研究深入發(fā)展17,18。在低壓熒光燈用電子鎮(zhèn)流器研制成功的基礎(chǔ)上，各國的電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)者正致力于研制適合高強(qiáng)度放電燈的高性能電子鎮(zhèn)流器，以解決當(dāng)前采用大電感鎮(zhèn)流器的高強(qiáng)度氣體放電燈照明系統(tǒng)存在的諸多缺點(diǎn)。4、微控制器技術(shù)的成熟使電子鎮(zhèn)流器數(shù)字化實(shí)現(xiàn)成為可能。隨著微控制器在電力電子系統(tǒng)（如電機(jī)驅(qū)動(dòng)、不間斷電源和各種DCDC變換器等）中的應(yīng)用日趨廣泛，開發(fā)基于微控制器的數(shù)字電子鎮(zhèn)流器成為必然的選擇。5、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展讓現(xiàn)代照明行業(yè)進(jìn)入了智能管理時(shí)代19。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人們對照明的節(jié)能和科學(xué)管理提出了更高的要求，使得照明控制在智能化領(lǐng)域的地位越來越重要。智能照明控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)良好的節(jié)能效果，延長燈泡使用壽命；改善工作環(huán)境，提高工作效率；實(shí)現(xiàn)多種照明效果；提高管理水平。1.3.4國內(nèi)外電子鎮(zhèn)流器技術(shù)研究現(xiàn)狀目前，世界上一些著名的大專院校、科研院所、公司都投入了較大的力量進(jìn)行電子鎮(zhèn)流器的科研開發(fā)和生產(chǎn)。如美國弗吉尼亞大學(xué)功率電子研究中心（VPEC）李澤元教授領(lǐng)導(dǎo)的科研中心每年都有相關(guān)論文和實(shí)驗(yàn)報(bào)告在IEEE功率電子學(xué)學(xué)刊刊出，并提出了如高頻能量反饋、采用電荷泵功率因數(shù)校正的電子鎮(zhèn)流器等概念，美國加州理工大學(xué)（UCT）的S.CUK教授關(guān)于單級高功率因數(shù)電子鎮(zhèn)流器，西班牙、巴西、我國臺(tái)灣和香港地區(qū)的一些著名高等院校、科研院所、公司都投入了很多高水平的科研人員、實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行科研開發(fā)1。國內(nèi)的一些著名科研院所和大學(xué)也投入了較大力量進(jìn)行相關(guān)的研究，并取得了一定的成果。如哈爾濱工業(yè)大學(xué)徐殿國教授的照明電子學(xué)課題組開發(fā)的基于Freescale八位單片機(jī)的250W、400W和600W數(shù)字化電子鎮(zhèn)流器，以及基于GSM和電力線載波通信技術(shù)的數(shù)字鎮(zhèn)流器智能化遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)；南京大學(xué)的羅繁等開發(fā)的基于PIC16C711的熒光燈智能電子鎮(zhèn)流器20；浙江大學(xué)博士后曹蕭洪開發(fā)了基于Atiny15L單片機(jī)的150W金鹵燈電子鎮(zhèn)流器21，等等?？陀^來講，國內(nèi)數(shù)字化電子鎮(zhèn)流器的研發(fā)工作仍處在初始階段。由于電子鎮(zhèn)流器要求體積小、造價(jià)低，并且對電磁輻射干擾、輸入功率因數(shù)、波峰因數(shù)、可靠性等技術(shù)指標(biāo)要求嚴(yán)格，所以要做出一個(gè)滿足高性能、低價(jià)格、體積小、低電磁輻射干擾、使用安全可靠等要求的電子鎮(zhèn)流器并非易事。電子鎮(zhèn)流器是一個(gè)涉及電路拓?fù)洹⒏哳l電子變換、諧振開關(guān)(ZVS、ZCS)、功率因數(shù)校正(PFC)、電磁干擾抑制(EMC、EMI)、電光源器件等電力電子技術(shù)方方面面的電子產(chǎn)品。同時(shí)，如何測量高頻電子鎮(zhèn)流器的技術(shù)參數(shù)，如功率、高頻諧波成分、效率、電磁輻射干擾等，也是電子鎮(zhèn)流器的研究熱點(diǎn)。1.4本課題的主要研究內(nèi)容本文的研究內(nèi)容主要包括以下幾點(diǎn)。1、數(shù)字化大功率金屬鹵化物燈電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)的研究。擬采用以低成本單片機(jī)為控制核心的硬件電路方案，對大功率金屬鹵化物燈電子鎮(zhèn)流器技術(shù)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行研究，使電子鎮(zhèn)流器更好地適應(yīng)大功率金屬鹵化物燈自身特點(diǎn)，滿足綠色照明的發(fā)展要求。2、大功率電子鎮(zhèn)流器輸入有源功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。功率因數(shù)校正的手段有無源和有源兩種，在中、大功率的場合主要采用有源功率因數(shù)校正。有源功率因數(shù)校正是在整流器和負(fù)載之間接入一個(gè)DC/DC(直流/直流)開關(guān)變換器，應(yīng)用反饋技術(shù)，使輸入端電流波形跟蹤交流輸入正弦電壓波形，可以使輸入電流接近正弦，從而使輸入端THD(總諧波含量)小于15%，功率因數(shù)可以提高到0.99或更高。3、基于全橋逆變LCC負(fù)載串并聯(lián)諧振電路的大功率金屬鹵化物燈啟動(dòng)技術(shù)的研究。由于大功率金屬鹵化物燈的燈端電壓較高，在直流母線電壓恒為400V的情況下，必須采用全橋的逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)才能得到等穩(wěn)態(tài)工作所需要的電壓。金屬鹵化物燈的可靠啟動(dòng)也是一個(gè)課題研究的一個(gè)重要內(nèi)容，本文采用了一種自適應(yīng)滑頻軟啟動(dòng)的方案，在一定程度上減少了對燈的沖擊損壞，對串并聯(lián)負(fù)載諧振電路滑頻啟動(dòng)的理論依據(jù)和數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了深入的研究。4、金屬鹵化物燈恒功率控制策略的研究。鑒于不同廠家生產(chǎn)的金屬鹵化物燈參數(shù)的離散性很大，會(huì)直接導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)功率的不同，從而造成色溫變化，影響照明效果，縮短使用壽命。本文主要采用平均有功功率控制的方式來對其過渡和穩(wěn)態(tài)進(jìn)行控制。第二章 大功率金屬鹵化燈電子鎮(zhèn)流器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本課題的目的是要研究和設(shè)計(jì)一款應(yīng)用于大功率金屬鹵化物燈的智能數(shù)字化電子鎮(zhèn)流器，因此在研究控制對象大功率金屬鹵化物燈的特性的基礎(chǔ)上，考慮到整個(gè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，并參考了小功率氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和選擇各個(gè)部分的電路拓?fù)洹１菊聦⒃敿?xì)論述智能數(shù)字化大功率金屬鹵化物燈電子鎮(zhèn)流器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本工作原理。2.1大功率金屬鹵化物燈電子鎮(zhèn)流器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)電子鎮(zhèn)流器的過程中，經(jīng)歷了從小功率到大功率，從純硬件電路的模擬電子鎮(zhèn)流器到以數(shù)字控制器為核心的智能數(shù)字化電子鎮(zhèn)流器的歷程。純硬件的模擬電子鎮(zhèn)流器結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示，智能數(shù)字化電子鎮(zhèn)流器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2所示16。圖2-1模擬電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)框圖Fig.2-1 Typical block diagram of conventional electronic ballast純硬件的模擬電子鎮(zhèn)流器一般采用PWM芯片來提供高頻驅(qū)動(dòng)信號，結(jié)構(gòu)比較簡單，沒有復(fù)雜的軟件程序，相應(yīng)的，功能也較為單一，可擴(kuò)展性較差；而智能數(shù)字化電子鎮(zhèn)流器采用了單片機(jī)作為控制核心，采用軟件程序控制整個(gè)系統(tǒng)的功能，具有完善的保護(hù)功能，還能提供通信接口，為實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的智能化管理提供了可能。完善的數(shù)字化鎮(zhèn)流器硬件組成包括EMI濾波電路、整流及功率因數(shù)校正電路、高頻逆變器、LCC串并聯(lián)諧振電路和以單片機(jī)為核心的數(shù)字控制電路。圖2-2智能數(shù)字化電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)框圖Fig.2-2 Typical block diagram of digital electronic ballast下面對本文所研究的智能數(shù)字化大功率金屬鹵化物燈電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)平臺(tái)的關(guān)鍵部分作簡要的介紹，為后續(xù)章節(jié)的具體分析作一鋪墊。2.2有源功率因數(shù)校正電路電子鎮(zhèn)流器本身，實(shí)際上是一種AC/DC/AC的特種電源，采用二極管不控整流、電容濾波的AC/DC整流環(huán)節(jié)會(huì)引起輸入電流嚴(yán)重畸變，功率因數(shù)較低，大量使用時(shí)對電網(wǎng)將造成嚴(yán)重的諧波污染和無功負(fù)擔(dān)。對于這種使用數(shù)量大的中小功率單相電源系統(tǒng)，最理想的方法是在電源內(nèi)部采取功率因數(shù)校正措施，從根本上消除諧波源。有源功率因數(shù)校正技術(shù)被認(rèn)為是合適的選擇，近年來，國外的一些半導(dǎo)體廠商（如Motorola、Unitrode、ST等）都開發(fā)、生產(chǎn)了各種PFC專用集成電路，常見的用于升壓型功率因數(shù)校正的專用集成電路有MC33262、L6561、UC3854、L4981等，這些芯片的技術(shù)指標(biāo)和性能有所不同，但是其功能卻基本相同。其主要作用有：一、可以解決高壓氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器輸入電流的畸變問題，迫使輸入電流為正弦波；二、當(dāng)輸入電壓或負(fù)載在大范圍波動(dòng)時(shí)，可以獲得穩(wěn)定的直流電壓，提高電子鎮(zhèn)流器的可靠性和安全性。目前，被廣泛應(yīng)用于中大功率高壓氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器的功率因數(shù)校正芯片主要有電感電流連續(xù)模式和電感電流臨界斷續(xù)模式兩種。2.2.1臨界導(dǎo)電模式功率因數(shù)校正電路的原理分析按照電路中的電感電流工作狀態(tài)，功率因數(shù)校正電路分為三種類型：連續(xù)導(dǎo)電模式、斷續(xù)導(dǎo)電模式和臨界導(dǎo)電模式。其中，臨界導(dǎo)電模式介于連續(xù)和斷續(xù)之間，具有功率因數(shù)高、功率開關(guān)管零電流導(dǎo)通、功率二極管的損耗小、控制電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文的設(shè)計(jì)在比較了連續(xù)導(dǎo)電模式和臨界導(dǎo)電模式的電路以后，采用了ONsemi公司的MC33262工作于臨界導(dǎo)電模式的功率因數(shù)校正芯片來構(gòu)成功率因數(shù)校正電路。2.2.2工作原理分析本文采用ONsemi公司的MC33262作為控制芯片，其基本電路結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。圖2-3 MC33262控制芯片內(nèi)部電路基本結(jié)構(gòu)Fig.2-3 Internal structure of MC33262主電路由單相橋式整流器和DC-DC Boost變換器組成。功率開關(guān)由控制電路控制，工作在高頻通斷狀態(tài)。其控制電路包括了電壓反饋和電流反饋信號，具體工作過程如下：主回路的輸出電壓的分壓值和基準(zhǔn)電壓比較后，輸入給電壓誤差放大器VA。整流電壓檢測值和VA的輸出電壓信號共同加到乘法器M的輸入端，乘法器M的輸出作為電流反饋控制的基準(zhǔn)信號。電流誤差放大器的輸出與電感零電流檢測器(ZCD)的輸出作為開關(guān)管驅(qū)動(dòng)器的輸入信號，控制開關(guān)管的開通和關(guān)斷，保證電感電流的峰值跟蹤整流電壓，從而使輸入電流（電感電流的平均值）與輸入電壓的波形基本一致，提高輸入端功率因數(shù)，降低電流畸變程度。由于電感零電流檢測器的引入，開關(guān)管只能在電感電流下降為零時(shí)開通，Boost電路工作在介于CCM和DCM之間的臨界導(dǎo)通模式。這樣，一方面降低了VD1關(guān)斷時(shí)反向恢復(fù)電流對開關(guān)管的沖擊作用；另一方面將輸入電流限定為電感電流峰值的二分之一。2.3橋式逆變電路和負(fù)載諧振電路大功率金屬鹵化物燈工作于高頻的交流狀態(tài)，這就需要一個(gè)電路將前級功率因數(shù)校正電路環(huán)節(jié)得到的直流電壓轉(zhuǎn)換成高頻的交流電壓，因此，橋式逆變電路是電子鎮(zhèn)流器電路中最基本同時(shí)也是最關(guān)鍵的組成部分。圖2-4橋式逆變電路Fig.2-4 Two types of bridge inverter circuit圖2-4所示的兩種橋式逆變電路輸出信號均為方波電壓，其傅立葉展開式分別為：式中，為逆變器直流側(cè)的母線電壓，為方波電壓角頻率。基于以上分析，要使金屬鹵化燈能夠正常工作，逆變器的輸出電壓必須滿足燈正常工作時(shí)的額定電壓。本文所研究的大功率金屬鹵化物燈燈端電壓較高，必須采用全橋逆變電路的結(jié)構(gòu)才能滿足燈端電壓的要求，因此，本文中的逆變電路結(jié)構(gòu)采用全橋逆變電路的結(jié)構(gòu)。諧振電路是接在高頻電源（全橋）與燈負(fù)載之間的限流電路，一般采用由無源元件構(gòu)成的諧振式結(jié)構(gòu)。根據(jù)基本電路結(jié)構(gòu)可以將負(fù)載諧振電路分成三種基本形式，它們的輸入可以是交流信號，也可以是脈動(dòng)的直流信號，如圖2-5所示。 a)串聯(lián)負(fù)載諧振電路 b)并聯(lián)負(fù)載諧振電路 c)串并聯(lián)負(fù)載諧振電路圖2-5負(fù)載諧振電路的基本形式Fig.2-5 Basic types of resonant circuit大功率金屬鹵化物燈是一種非常特殊的負(fù)載，其正常工作時(shí)的等效電阻與啟動(dòng)前的等效電阻相比有非常“巨大”的差別，在電路結(jié)構(gòu)不變的前提下，從燈啟動(dòng)時(shí)的高電壓到穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的低電壓的轉(zhuǎn)換正是利用這種差異實(shí)現(xiàn)的，所以對負(fù)載電路電壓傳輸特性討論十分必要。圖2-5a)所示的SLR電路，電壓傳輸特性可以用式(2-3)表示如下： (2-3)式中，R為金鹵燈的等效電阻。由式(2-3)可以得到串聯(lián)負(fù)載諧振電路的幅頻特性和回路電流相移特性： (2-4) (2-5)為了從比較直觀的角度分析結(jié)果，式(2-4)、(2-5)的圖形表示如下：圖2-6串聯(lián)諧振電路頻率特性Fig.2-6 Frequency characteristics of SLR circuit采用串聯(lián)諧振電路結(jié)構(gòu)時(shí)，由于金鹵燈沒有與諧振元件相并聯(lián)，當(dāng)電路工作在諧振狀態(tài)時(shí)，燈端所獲得的諧振電壓超不過電源電壓，如圖2-6所示。而金鹵燈所需的啟動(dòng)電壓比電源電壓要高得多，因此不能直接利用諧振作用產(chǎn)生的高電壓啟動(dòng)燈，實(shí)際應(yīng)用中仍然需要附加啟動(dòng)電路。圖2-5b)所示的并聯(lián)負(fù)載諧振電路(PLR)和圖2-5c)所示的串并聯(lián)負(fù)載諧振電路(SPLR)可以通過燈端并聯(lián)電容在電壓諧振時(shí)產(chǎn)生的高電壓啟動(dòng)高壓鈉燈，并利用金鹵燈啟動(dòng)前后阻抗特性的變化使諧振電路自然失諧達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)。圖2-5b)、c)所示電路的主要區(qū)別在于串聯(lián)電容Cs的有無。因?yàn)殡妷盒腿珮蚰孀兤鬏敵鲭妷菏侵绷鞣讲ǖ男问?，利用電容Cs的隔直作用可以去掉電壓中的直流分量，使負(fù)載電路工作在交流。對于輸出交流信號的逆變器，Cs可以消去逆變器輸出信號中不平衡的伏秒值。以圖2-4b)所示的并聯(lián)負(fù)載結(jié)構(gòu)為例，電壓傳輸特性可以用式(2-6)表示如下： (2-6)式中，。由式(2-6)可以得到并聯(lián)諧振負(fù)載電路的幅頻特性和相移特性： (2-7) (2-8)為了從比較直觀的角度分析結(jié)果，式(2-7)、(2-8)的圖形表示如下：圖2-7并聯(lián)諧振電路頻率特性Fig.2-7 Frequency characteristics of PLR circuit2.4數(shù)字控制器設(shè)計(jì)數(shù)字控制器是鎮(zhèn)流器控制電路的核心。數(shù)字控制器通過A/D端口獲取金屬鹵化物燈的工作狀態(tài)。并且根據(jù)這些狀態(tài)信息，通過一定的控制算法調(diào)節(jié)全橋逆變器的工作模式。與傳統(tǒng)的模擬控制器相比，數(shù)字控制器容易實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的控制策略，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，而且具有一定的擴(kuò)展能力，可以方便地實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)功能及通信等高級功能。2.4.1數(shù)字控制器硬件電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用Freescale公司的MC68HC908KX8八位低成本微控制器作為控制核心，從而取代了原模擬電子鎮(zhèn)流器的PWM驅(qū)動(dòng)芯片。采用數(shù)字控制器的基本控制電路如圖2-8所示?？梢酝瓿傻幕竟δ馨ǎ簾魡?dòng)時(shí)候的高壓脈沖電壓檢測(Lamp_Volt)；全橋逆變器輸入電流檢測(Bus_I)；全橋逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(PWM_Signal)；此外還可以擴(kuò)展通信串口等等。圖2-8數(shù)字控制器基本電路圖Fig.2-8 Basic digital controller diagram2.4.2數(shù)字控制器軟件程序設(shè)計(jì)采用數(shù)字控制器的金屬鹵化物燈電子鎮(zhèn)流器的最大優(yōu)點(diǎn)就是，鎮(zhèn)流器工作的各個(gè)狀態(tài)都可以通過軟件流程來進(jìn)行控制和檢測，而且通過對燈相關(guān)參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測，可以判斷燈的工作狀態(tài)，從而區(qū)分出正常工作和異常情況，及時(shí)對鎮(zhèn)流器和燈進(jìn)行保護(hù)，具有相對智能的特性。要能實(shí)現(xiàn)上述功能，就要進(jìn)行相對完善的單片機(jī)軟件程序的編制。本課題采用單片機(jī)常用的匯編語言進(jìn)行編程，在軟件程序功能盡可能完整的前提下，編制了若干子程序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能，方便主程序靈活調(diào)用。主程序?qū)︽?zhèn)流器的各個(gè)工作模態(tài)進(jìn)行了綜合控制，通過調(diào)用各個(gè)模塊化的子程序?qū)崿F(xiàn)滑頻點(diǎn)燈、過渡控制、功率閉環(huán)、故障判斷及故障保護(hù)等各個(gè)階段的功能。各子程序模塊功能簡介如下：1、啟動(dòng)模塊：冷燈狀態(tài)下，通過預(yù)熱和滑頻，使諧振電路產(chǎn)生高壓將燈啟動(dòng)。若啟動(dòng)次數(shù)達(dá)到設(shè)定值后仍然未能啟動(dòng)，則判斷線路出現(xiàn)故障，進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。2、功率過渡模塊：實(shí)時(shí)檢測進(jìn)入全橋逆變器的電流，實(shí)現(xiàn)到穩(wěn)態(tài)階段的平滑過渡，抑制燈功率超調(diào)和突變。3、穩(wěn)態(tài)功率控制模塊：通過控制進(jìn)入全橋逆變器的電流，進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)燈功率基本恒定。4、采樣模塊：負(fù)責(zé)采集燈和鎮(zhèn)流器電路的各種數(shù)據(jù)，如燈電壓、燈電流、母線電流等。5、驅(qū)動(dòng)模塊：通過單片機(jī)PWM口產(chǎn)生全橋逆變器的驅(qū)動(dòng)信號。6、故障處理模塊：能識別熱燈、開路、短路等故障，并進(jìn)行自動(dòng)保護(hù)。主程序和各個(gè)子程序模塊的流程將會(huì)在后續(xù)章節(jié)進(jìn)行詳細(xì)敘述。2.5 本章小結(jié)本章根據(jù)現(xiàn)階段大功率金屬鹵化物燈電子鎮(zhèn)流器的發(fā)展，結(jié)合要實(shí)現(xiàn)的具體功能和實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一個(gè)包含數(shù)字控制器基本的系統(tǒng)平臺(tái)。既包括功率因數(shù)校正、全橋逆變器、諧振電路等硬件電路部分的設(shè)計(jì)，又包含了基于Freescale微控制器匯編語言的軟件部分功能的設(shè)計(jì)，搭建了基本的軟硬件平臺(tái)，為后續(xù)章節(jié)的研究進(jìn)行了必要的鋪墊和充分的準(zhǔn)備。第三章 大功率金鹵燈啟動(dòng)及恒功率控制策略的研究3.1引言大功率金屬鹵化物燈作為一種新型的節(jié)能型電光源，因其發(fā)光效率高，顯色性好，壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于體育館、展廳、商場、廣場等需要大面積照明的場合。由于高強(qiáng)度氣體放電的特性以及金屬鹵化物燈的自身特性，它的啟動(dòng)過程比較復(fù)雜，由于氣體放電燈的固有光電轉(zhuǎn)換機(jī)制負(fù)阻工作特性，金鹵燈的啟動(dòng)必須要經(jīng)過點(diǎn)火、繁流、弧光放電等階段，然后功率逐漸上升逐漸過渡到穩(wěn)態(tài)，在這個(gè)階段中，燈端電壓逐漸上升，流過燈的電流逐漸下降，最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的值。所以，電子鎮(zhèn)流器要能夠成功點(diǎn)亮燈，并能夠逐漸使燈過渡到穩(wěn)態(tài)，最后對燈的功率進(jìn)行閉環(huán)控制，這些都是本章所要研究的主要內(nèi)容。不論是研究燈的啟動(dòng)，還是對燈進(jìn)行恒功率控制，都需要對全橋LCC串并聯(lián)諧振電路進(jìn)行研究，下面就先對燈啟動(dòng)和恒功率控制的核心電路LCC串并聯(lián)諧振電路作一分析。3.2全橋LCC串并聯(lián)諧振電路分析大功率金屬鹵化物燈工作于高頻的交流狀態(tài)，為保證燈的壽命和有效工作，金屬鹵化物燈的兩個(gè)電極應(yīng)該交替工作，以避免其中一個(gè)電極的過渡消耗。所以兩個(gè)電極工作的時(shí)間應(yīng)該保持一致，并且在燈電流中不能存在直流成分?；谝陨线@些要求，本文所研究的數(shù)字化大功率金屬鹵化物燈電子鎮(zhèn)流器后級采用了全橋逆變LCC串并聯(lián)諧振電路的設(shè)計(jì)。基本的全橋逆變電路如圖3-1所示，本設(shè)計(jì)中，LCC諧振變換器的一個(gè)工作周期里，上下半橋的驅(qū)動(dòng)信號的占空比應(yīng)該盡可能相同，而且為了避免電流過零時(shí)可能出現(xiàn)的熄弧現(xiàn)象，驅(qū)動(dòng)信號的占空比應(yīng)該接近50%。假定LCC諧振變換器中所有的器件都工作在理想狀態(tài)，在全橋逆變LCC諧振電路的一個(gè)高頻工作周期中，共有四種工作模態(tài)如圖3-2所示。首先Q1、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3關(guān)斷，諧振網(wǎng)絡(luò)和金屬鹵化物燈由電源母線提供能量。在半個(gè)工作周期結(jié)束后，電感通過Q2、Q3的寄生體二極管續(xù)流；然后Q2、Q3導(dǎo)通，Q1、Q4關(guān)斷，諧振網(wǎng)絡(luò)和金屬鹵化物燈再由電源母線提供能量，電感通過Q1、Q4的寄生體二極管續(xù)流。a)串并聯(lián)負(fù)載諧振電路b)逆變器等效電路圖3-1串并聯(lián)負(fù)載諧振變換電路Fig.3-1 Series parallel resonant inverter圖3-2全橋工作模態(tài)Fig.3-2 Conduction sequence of the full bridge本文在第二章中已經(jīng)對LC串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路進(jìn)行了相關(guān)的分析，而對于數(shù)字化電子鎮(zhèn)流器，LCC串并聯(lián)諧振是一種更為普遍應(yīng)用的諧振電路。全橋LCC串并聯(lián)諧振電路如圖3-1(a)所示，串并聯(lián)諧振腔具有帶通特性，能有效衰減方波的高次諧波分量，串聯(lián)電容能夠?yàn)V除電源電壓中的直流分量?；诘诙碌挠懻摚诜治龃⒙?lián)諧振電路時(shí)，負(fù)載電路的輸入信號可以用方波信號的基波分量來表示： (3-1)式中功率因數(shù)校正電路輸出直流電壓(V)；半橋逆變器工作角頻率(rad/s)；對高壓氣體放電燈特性的研究表明，金屬鹵化物燈在高頻工作時(shí)呈電阻特性。因此，在分析過程中將金屬鹵化物燈的阻抗特性用其等效電阻來表示。燈點(diǎn)亮以前，其等效電阻很大，近似于負(fù)載開路；燈點(diǎn)亮以后，燈的等效電阻立即變小，相當(dāng)于負(fù)載短路；然后在過渡階段，隨著時(shí)間的推移，燈電阻逐漸增大到穩(wěn)態(tài)的等效電阻值。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)之后，在短期內(nèi)，燈的等效電阻保持恒定，但是從長遠(yuǎn)的角度看，隨著燈使用時(shí)間的增加，等效電阻會(huì)逐漸上升。串并聯(lián)負(fù)載諧振逆變電路在結(jié)構(gòu)上是串聯(lián)負(fù)載和并聯(lián)負(fù)載電路的結(jié)合。為方便起見，表3-1給出了串聯(lián)負(fù)載和并聯(lián)負(fù)載的特征參數(shù)表。表3-1逆變器特征參數(shù)及其相互之間的關(guān)系Table 3-1 Parameters of theinverter and relationships between them圖3-1(b)所示串并聯(lián)負(fù)載諧振電路輸入阻抗的模和相角可以用下式表示： (3-2) (3-3)負(fù)載諧振的諧振頻率是指在此頻率作用下回路阻抗的相移等于零，諧振頻率可由下式求得： (3-4) (3-5)當(dāng)諧振電路空載時(shí)，由式(3-3)和式(3-4)可以看出，諧振頻率。串并聯(lián)負(fù)載諧振電路的工作頻率高于諧振頻率時(shí)，回路電流滯后電壓，全橋逆變器的功率管在零電壓下開啟，不存在開通損耗。由電流滯后造成的關(guān)斷損耗可以通過外加緩沖電容來解決。3.3大功率金屬鹵化物燈啟動(dòng)方式的研究金屬鹵化物燈的啟動(dòng)過程和其他高壓氣體放電燈一樣，都是氣體放電的物理過程。以前最簡單也是最常用的啟動(dòng)方式是采用瞬時(shí)啟動(dòng)電路，在這種電路中，將足夠高的電壓加到金鹵燈和鎮(zhèn)流器串聯(lián)的電路上，使金鹵燈內(nèi)氣體電離。但是實(shí)際應(yīng)用中這種啟動(dòng)方法存在很多問題，如燈極突然受到?jīng)_擊，影響燈泡壽命；自適應(yīng)性差，不能隨燈泡本身所需實(shí)際啟動(dòng)電壓的不同而改變高壓脈沖幅值的大小等等。不過因?yàn)樗矔r(shí)啟動(dòng)方法的可靠性很高，所以目前電感鎮(zhèn)流器和很多電子鎮(zhèn)流器仍然采用此種方法?；贚CC串并聯(lián)負(fù)載諧振電路的啟動(dòng)方式，可以大大降低啟動(dòng)電壓，延長燈泡使用壽命22。結(jié)合LCC諧振網(wǎng)絡(luò)的電壓傳輸特性，文獻(xiàn)18,19提出了一種滑頻軟啟動(dòng)方法。全橋逆變器的工作頻率逐漸靠近LCC網(wǎng)絡(luò)的固有諧振點(diǎn)時(shí)，施加在金鹵燈兩端的電壓隨著頻率的推移逐漸增加。這種方法可以有效降低啟動(dòng)電壓對燈極的沖擊，延長燈泡壽命。諧振點(diǎn)燈的方法一般分為兩種，基頻諧振和諧波諧振。基頻諧振是利用驅(qū)動(dòng)源頻率和電路的本征諧振頻率相近時(shí)，諧振電路產(chǎn)生很高的基頻諧振電壓來點(diǎn)燈。而諧波諧振是利用驅(qū)動(dòng)源頻率的某一高次諧波和電路的諧振頻率相近時(shí)，諧振電路產(chǎn)生的高次諧波電壓來點(diǎn)燈。文獻(xiàn)23中指出高強(qiáng)度氣體放電燈采用多個(gè)高壓脈沖連續(xù)作用的啟動(dòng)方法時(shí)，可以降低對啟動(dòng)電壓脈沖幅值和寬度的要求。如圖3-1所示的全橋逆變LCC串并聯(lián)負(fù)載諧振電路的電壓傳輸特性可以由式(3-6)表示如下： (3-6)式中燈端電壓的最大值；式(3-1)中的最大值令，得到LCC串并聯(lián)負(fù)載諧振回路的電流傳輸特性由式(3-7)表示如下： (3-7)在燈點(diǎn)亮前后的電壓增益可以用圖3-3表示，可以看出，在燈點(diǎn)亮之前，足夠高，所以當(dāng)開關(guān)頻率接近于時(shí)，電壓增益變得非常大，所以可以用諧振產(chǎn)生的高壓把燈點(diǎn)亮，而不需要額外附加啟動(dòng)電路。圖3-3 LCC負(fù)載諧振電路電壓幅頻特性（箭頭所指為啟動(dòng)順序）Fig.3-3 LCC circuit voltage gain before and after the ignition transient(Thearrows indicate the ignition sequence)圖3-4 LCC負(fù)載諧振回路電流幅頻特性（箭頭所指為啟動(dòng)順序）Fig.LCC circuit input current before and after the ignition transient(Arrows indicate ignition secquence)圖3-3表明諧振網(wǎng)絡(luò)負(fù)載端的電壓增益與工作頻率存在對應(yīng)變化趨勢的聯(lián)系，不同的工作頻率點(diǎn)所對應(yīng)的電壓幅值也不同。在諧振回路固有諧振頻率點(diǎn)右側(cè)選擇一個(gè)合適的頻帶然后工作頻率逐漸從右向左滑動(dòng)。根據(jù)諧振網(wǎng)絡(luò)的電壓增益特性，施加在燈兩端的電壓逐漸增加，到達(dá)一定程度后啟動(dòng)金鹵燈。在滑頻過程中，燈兩端的諧振電壓和諧振回路的電流逐漸增加。這樣，既可以降低啟動(dòng)對元器件的沖擊程度，又能適應(yīng)不同啟動(dòng)電壓的金屬鹵化物燈?；l頻帶選在諧振回路固有諧振點(diǎn)右側(cè)時(shí)，可以降低半橋逆變器功率開關(guān)管的損耗13。如圖3-3所示，滑頻軟啟動(dòng)過程具體為：工作頻率從工作點(diǎn)(1)逐漸向工作點(diǎn)(2)滑動(dòng)，燈啟動(dòng)后燈電阻從無窮大變到近似短路(3)，檢測電路判斷燈亮后，直接過渡到工作點(diǎn)(4)。需要注意的是，當(dāng)頻率到達(dá)，而燈沒亮的時(shí)候，施加到燈兩端的電壓是非常大的，而這個(gè)電壓僅通過電感和電容的等效串聯(lián)電阻來限制，所以可能會(huì)導(dǎo)致不安全的情況發(fā)生。所以，在具體應(yīng)用的時(shí)候