HID燈和電子鎮(zhèn)流器間的接口設(shè)計(jì).doc

HID燈和電子鎮(zhèn)流器間的接口設(shè)計(jì)1 HID 電光源概述HID 照明系統(tǒng)由HID 電光源、驅(qū)動(dòng)電源( 鎮(zhèn)流器) 和燈具三部分構(gòu)成，其中核心是光源。鎮(zhèn)流器和燈具的設(shè)計(jì)方向總是圍繞如何讓光源達(dá)到最佳的照明效果來擴(kuò)展的。目前，根據(jù)發(fā)光物質(zhì)的差別，HID 電光源分三大類，即高壓汞燈(HPL)、高壓鈉燈(HPS) 和金鹵燈(MH) ，其中金鹵燈又分石英金鹵燈( QMH) 和陶瓷金鹵燈( CMH 或者CDM)兩種。以前HPL 燈主要應(yīng)用于戶外照明，但是由于它的光效較低，HPL 現(xiàn)在已逐漸被HPS 燈取代。雖然LED 路燈概念初步付諸了實(shí)踐，但是戶外照明中性價(jià)比最高的依然是傳統(tǒng)電感式鎮(zhèn)流器驅(qū)動(dòng)的HPS燈。HPS 的初始光效可以達(dá)到100lm /W 以上，并且可以實(shí)現(xiàn)20% 的調(diào)光，非常適合于照明節(jié)能，這都是HPS 的主要優(yōu)點(diǎn)。但是HPS 的顯色指數(shù)( CRI)較小，只有20 左右，難看的黃光是HPS 燈主要的缺陷。同屬鈉燈系列的白鈉燈( SDW) 通過犧牲光效(50lm /W 附近) ，可以將CRI 大大提高到80 以上，在超市的肉類櫥窗里很有用武之地。光效和顯色指數(shù)這兩個(gè)指標(biāo)，在鈉燈系列電光源中是不易兼得的，但在金鹵燈中卻得到了很好的平衡，例如: 金鹵燈初始光效在80lm /W 之上，顯色指數(shù)在70 以上。同QMH 相比， 大批量生產(chǎn)的CDM 的初始色溫一致性好，長期工作后的色溫穩(wěn)定性好，CDM 放電管壁材料采用PCA，對(duì)鹵鹽的腐蝕性耐力較強(qiáng)，從而避免了QMH 放電管在某些狀態(tài)下爆炸的危險(xiǎn)。同等功率的CDM 同QMH 相比( 如70W) ，顯色指數(shù)和光效都提高了10 多個(gè)點(diǎn)，預(yù)期壽命是QMH 的1. 5 倍左右。并且，可以被調(diào)光到50% 的CDM 燈也已經(jīng)問世。在不久的將來，光效可以和HPS 燈媲美、顯色性好、可調(diào)光的CDM 燈將成為戶外照明的新生力量。HID 燈初始光效是指燈在連續(xù)工作100 小時(shí)之后所測得的光效，它的高低由燈自身特性決定，同鎮(zhèn)流器性能基本無關(guān)。但是，HID 燈長期工作的時(shí)效性流明( 光效) 維持率和CRI 穩(wěn)定性，卻極大地受驅(qū)動(dòng)鎮(zhèn)流器性能的影響。由于照明系統(tǒng)的核心是電光源，所以在保證安全和滿足成本控制等要求的前提下，最大限度地發(fā)揮燈的照明效果，是鎮(zhèn)流器優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則。拋開鎮(zhèn)流器的市場因素不說，如果只從照明系統(tǒng)的性能角度出發(fā)，評(píng)估電子鎮(zhèn)流器質(zhì)量優(yōu)劣的最重要指標(biāo)就是燈鎮(zhèn)流器接口性能( Lamp Driver Interaction or Interface-LDI) 的好壞。LDI 是一個(gè)綜合指標(biāo)，首先它根據(jù)燈的工作特性，要求鎮(zhèn)流器有適合的參數(shù)匹配，以便給燈提供最佳的驅(qū)動(dòng)效果; 其次，它要求在燈的不同工作階段和異常工作狀態(tài)下鎮(zhèn)流器都有很好的可靠性。HID 鎮(zhèn)流器和燈的匹配性及鎮(zhèn)流器自身的可靠性是本文討論的核心。2 HID 燈和電子鎮(zhèn)流器間接口性能指標(biāo)(LDI)HID 燈的工作是一個(gè)復(fù)雜的氣體放電和原子發(fā)光的過程，HID 燈要被可靠點(diǎn)亮并長期穩(wěn)定高效地工作，必須對(duì)燈電壓、燈電流和燈功率的大小、形狀、頻率、諧波含量等電學(xué)參數(shù)提出規(guī)范化的要求，而HID 電子鎮(zhèn)流器線路拓?fù)洳粩喟l(fā)展及控制方法不斷完善的目的也就是為了更好地達(dá)到這些規(guī)范化的要求。HID 燈的各個(gè)工作階段直接關(guān)聯(lián)HID 鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)，它們分別是:(1) 放電管的電流擊穿同鎮(zhèn)流器的點(diǎn)火尖峰電壓間的關(guān)系: 當(dāng)鎮(zhèn)流器產(chǎn)生的點(diǎn)火尖峰電壓足夠大時(shí)( 3kV) ，HID 放電管中的中性原子( 如汞原子) 開始被電離，正離子轟擊電極并產(chǎn)生大量電子，導(dǎo)致電子雪崩和自持放電，這就是放電管的電流擊穿階段，該階段的放電是輝光放電，要求鎮(zhèn)流器給放電管電極之間提供足夠高度和寬度的電壓尖峰。如果尖峰電壓峰值不夠大，或者尖峰電壓中累積有效脈寬不夠大，則放電管不易自持放電; 如果尖峰電壓峰值太大( 如 5kV) ，則在HID 燈的熱點(diǎn)火時(shí)，在HID 外泡的兩個(gè)電極引線之間可能會(huì)發(fā)生拉弧打火現(xiàn)象。另外，基于安全考慮，鎮(zhèn)流器的點(diǎn)火過程應(yīng)該是可控的，當(dāng)點(diǎn)火時(shí)間超過30 分鐘時(shí)，點(diǎn)火線路必須停止工作。(2) 放電管的電壓擊穿同鎮(zhèn)流器開路電壓(OCV) 間的關(guān)系: 在輝光放電發(fā)生后， 如果在放電管兩個(gè)電極之間維持足夠大的電壓，則電子雪崩程度會(huì)加劇，最終導(dǎo)致放電管電極兩端電壓從開路電壓( open-circuit voltage，OCV) 跳變到10V 左右，該過程被稱為輝光放電到弧光放電的轉(zhuǎn)移( GTA) ，這就是放電管的電壓擊穿階段，該階段要求鎮(zhèn)流器能夠在放電管兩個(gè)電極之間維持足夠大的OCV。如果OCV 不夠大， 則放電管的電壓擊穿不易實(shí)現(xiàn)，GTA 不順暢，很難過渡到穩(wěn)定的弧光放電階段，則輝光放電維持時(shí)間被拉長; 如果OCV 過大，則汞正離子對(duì)電極的轟擊太過劇烈，會(huì)引起電極物質(zhì)的過渡濺射。輝光放電維持時(shí)間長，電極物質(zhì)濺射嚴(yán)重，是HID 燈壽命縮短以及流明維持率驟減的主要原因，所以O(shè)CV 過小或者過大，都是不允許的。(3) 放電管的Runup 過程同鎮(zhèn)流器的Runup 電流大小間的關(guān)系: HID 燈的Runup 過程就是放電管中汞齊和鹵鹽氣化，電極兩端電壓和燈功率逐步增大的過程，當(dāng)燈功率達(dá)到滿功率時(shí)，Runup 階段完成。在CDM 燈的Runup 階段， 鎮(zhèn)流器最好能夠輸出大小恒定的Runup 電流，并且Runup 電流大小的設(shè)置應(yīng)符合燈的規(guī)格要求。如果Runup 電流過小，則放電管鹵鹽不能氣化，燈會(huì)熄滅; 而如果Runup電流過大，則電極物質(zhì)蒸發(fā)損耗太大，放電管管壁過早發(fā)黑，也會(huì)引起流明維持率驟減。(4) 放電管中的聲共振、放電管的老化同鎮(zhèn)流器輸出電流波形間的關(guān)系: 金鹵燈能否穩(wěn)定長期工作，燈流明維持率的高低、使用壽命的長短，同鎮(zhèn)流器輸出到燈中的電流波形形狀關(guān)系很大。理論和實(shí)踐都證明，低頻方波電流是驅(qū)動(dòng)金鹵燈的最佳方式，它能有效抑制金鹵燈放電管中的聲共振、延緩流明維持率的衰減速度、延長金鹵燈的使用壽命。對(duì)低頻方波電流形狀的要求，又可細(xì)化為以下指標(biāo):電流頻率應(yīng)該介于70Hz 400Hz 之間，以克服頻閃并避開聲共振; 電流換向速度要快，盡量保證換流在100uS 以內(nèi)完成，以便減少換向過程中的電子復(fù)合和輝光放電; 換流邊沿的電流過沖要小，電流峰值因數(shù)( CF) 小， 以便減弱電極物質(zhì)的蒸發(fā); 燈電流中包含的高頻紋波含量要盡量少，否則聲共振有被激發(fā)的危險(xiǎn)。(5) 放電管中光色穩(wěn)定性同鎮(zhèn)流器功率控制間的關(guān)系: 隨著HID 燈的老化( 鹵鹽成分變化和流失、電極物質(zhì)的濺射和蒸發(fā)) ，燈電壓會(huì)不斷上升，而功率控制的目的就是保證燈功率按照設(shè)定的規(guī)律變化。HID 燈的功率控制，對(duì)于穩(wěn)定光色和延長燈管的使用壽命都是必須的。在金鹵燈中，如果燈功率過低，則光色偏綠; 若燈功率過高，雖然光色不變，但是會(huì)導(dǎo)致放電管管壁溫度和及其中的鹵鹽溫度升高，加速管壁的腐蝕和老化。金鹵燈(QMH 和CDM) 的功率控制要求比較簡單，那就是在燈電壓的整個(gè)正常工作范圍內(nèi)( 如70V 150V) ，燈功率基本維持不變。在大批量生產(chǎn)中，不同金鹵燈個(gè)體之間的功率存在偏差，一般來說，實(shí)際燈功率同額定燈功率之間有 3% 到 5% 的偏差是允許的。在白鈉燈( SDW) 中， 不同于金鹵燈的地方是，即便白鈉燈一直工作在初始額定功率上，但隨著燈電壓的上升，光色也會(huì)漂移，所以白鈉燈的燈功率不僅不能過低和過高，而且燈功率大小必須隨著燈壓的上升而不斷調(diào)整，以便維持光色的穩(wěn)定。(6) 放電管壽終(End-of-life，EOL) 風(fēng)險(xiǎn)同鎮(zhèn)流器EOL 保護(hù)功能間的關(guān)系: 在金鹵燈中，氣體放電和發(fā)光是在石英或陶瓷內(nèi)膽中發(fā)生的，但是由于老化或其他原因，內(nèi)膽中的鹵鹽可能會(huì)泄漏到外泡之中。當(dāng)外泡中鹵鹽濃度氣壓超過5mPar 時(shí)，外泡中也會(huì)發(fā)生氣體放電，并導(dǎo)致燈座溫度顯著上升和燈線絕緣層的快速老化和破損，從而帶來觸電等安全風(fēng)險(xiǎn)，這就是HID 燈的EOL 風(fēng)險(xiǎn)。正是由于HID燈在EOL 工作階段涉及到用戶的安全問題，IEC 標(biāo)準(zhǔn)(60598 ) 要求在HID 燈具中， 在HID 燈泡的EOL 工作狀態(tài)，燈座溫度不能超過180，或者對(duì)應(yīng)于HID 燈泡箍頸( Pinch) 部位的溫度不可以超過350。為了達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，HID 鎮(zhèn)流器必須具有識(shí)別HID 燈泡EOL 特征的功能，并在EOL 工作狀態(tài)出現(xiàn)時(shí)，要盡快停止HID 燈的工作。EOL 風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重程度主要同3 個(gè)因素有關(guān)，分別是: 燈泡內(nèi)膽容積同外泡容積的比值; 燈泡內(nèi)膽中鹵鹽填充濃度( 氣壓) ; 外泡中放電類型。相比較而言，150W CMH 燈泡的EOL 風(fēng)險(xiǎn)最大。不同公司生產(chǎn)的150W CDM 燈， 燈泡內(nèi)膽中填充的鹵鹽濃度可能不相同， 因而EOL 風(fēng)險(xiǎn)也各不相同。即便是同一個(gè)150W，工作在EOL 狀態(tài)的CDM 燈泡，它的EOL 風(fēng)險(xiǎn)大小還同外泡中的放電模式相關(guān)聯(lián)。EOL 燈泡中， 外泡中的放電分以下3 種: 輝光放電模式; 弧光放電模式; 白熾燈模式，其中弧光放電模式和白熾燈模式的安全風(fēng)險(xiǎn)最大。在知名國際品牌的CMH 燈中，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，150W CMH 燈中，GE 公司生產(chǎn)的燈泡EOL 風(fēng)險(xiǎn)較大; 而70W CMH 燈中， Philips 公司生產(chǎn)的燈泡EOL 風(fēng)險(xiǎn)較大。圖1 給出了CDM 燈工作在EOL 階段的輝光放電狀態(tài)( 左) 和白熾燈狀態(tài)( 右) 的圖片。白熾燈狀態(tài)下，輸入到燈的電功率大部分耗散在焦耳熱的產(chǎn)生上( 而不是發(fā)光) ，從而燈腳( Pin) 和燈線溫升很大，燈線絕緣層容易被燙傷破損和過早老化，可能導(dǎo)致燈線金屬層同燈具發(fā)生短路和用戶被電擊的危險(xiǎn)。3 HID 電子鎮(zhèn)流器同燈接口設(shè)計(jì)的基本原理LDI 具有雙重意義，它不僅要求HID 鎮(zhèn)流器給HID 燈提供良好的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)要求在HID 燈所有工作階段和可能的異常工作狀態(tài)下，HID 電子鎮(zhèn)流器都具有高度的可靠性來抵御失效。通過上面的敘述，我們知道，要深入理解HID燈的性能要求和工作特性，將燈在不同工作階段所需要的驅(qū)動(dòng)條件及對(duì)應(yīng)的等效電學(xué)參數(shù)融匯到鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)中，是HID 電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)的基本立足點(diǎn)和出發(fā)點(diǎn)。首先，為了驅(qū)動(dòng)HID 燈，HID 電子鎮(zhèn)流器必須具備的基本外部特性是:(1) 在燈的點(diǎn)火階段， 提供恒定的OCV 電壓和適當(dāng)高度和足夠?qū)挾鹊狞c(diǎn)火尖峰電壓，點(diǎn)火時(shí)序和點(diǎn)火維持時(shí)間是可控的;(2) 在燈的Runup 階段，提供恒定的Runup 電流;(3) 在燈的正常工作階段，提供恒定的輸出功率或者恒定光色控制。(4)在燈的EOL工作階段，能夠識(shí)別EOL狀電力電子線路中的“臨界電感電流模式”技術(shù)也被應(yīng)用到HID電子整流器的線路設(shè)計(jì)之中，在臨界電感電流模式下，燈電流的大小控制就非常簡單，因?yàn)殡姼须娏鞣逯档囊话刖偷扔跓綦娏?，所以在燈的Runup階段，只要將電感電流的峰值控制在設(shè)定值，就可以實(shí)現(xiàn)恒電流Runup。另外，這個(gè)技術(shù)對(duì)于提鎮(zhèn)流器的可靠性，實(shí)現(xiàn)“零電壓開關(guān)”和改善電磁兼容性都直到重要作用。從對(duì)HID燈的匹配性而言，三級(jí)結(jié)構(gòu)的鎮(zhèn)流器是最友善的，并且在控制方法的實(shí)施難易程度上，利用三級(jí)結(jié)構(gòu)的HID鎮(zhèn)流器來實(shí)現(xiàn)燈所要求的恒壓、恒流和恒功率(恒光色)是比較簡單的，其中BUCK變換器的控制是核心。在三級(jí)線路中(圖2上)，BOOST 變換器實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正和恒定直流電壓輸出的兩大功能，BUCK變換器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)穩(wěn)壓(點(diǎn)燈階段)和限流(Runup階段和正常工作階段)的兩大功能，而逆變橋?qū)崿F(xiàn)低頻換向的功能。首先，在燈的點(diǎn)燈階段，控制BUCK變換器輸出電壓的大小，可以給燈提供恒定的OCV電壓。在燈的Runup 階段，控制工作于臨界模式的BUCK變換器電感電態(tài)，并采取適合的保護(hù)動(dòng)作。簡單的說，在HID燈不同的工作階段，電子鎮(zhèn)流器分別具有恒壓、恒流、恒功率的外部特性，為了使鎮(zhèn)流器具備這些輸出特性，同時(shí)為了順應(yīng)電力電子產(chǎn)品發(fā)展的基本趨勢(高能效、高功率密度、小型化)，鎮(zhèn)流器內(nèi)部線路必須采取適合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制邏輯。目前市場上HID電子鎮(zhèn)流器的主電路拓?fù)淙?jí)結(jié)構(gòu)和兩級(jí)結(jié)構(gòu)兩類，而兩極拓?fù)溆址秩珮騼蓸O(FBCF)和半橋兩極(HBCF)兩種，它們的原理圖在圖2給出。在HID電子鎮(zhèn)流器中，基于安全原因，點(diǎn)火尖峰電壓發(fā)生線路的工作應(yīng)該交由定時(shí)器來控制，并且通過調(diào)整與燈相串聯(lián)的升壓變壓器的匝比(如圖中的Lig元件)以及調(diào)整同該變壓器繞組相并聯(lián)的點(diǎn)火電容容值大小，就可以將點(diǎn)火尖峰的高度和寬度調(diào)整到適合的數(shù)值。當(dāng)燈被點(diǎn)亮?xí)r，尖峰電壓發(fā)生線路的工作被中止;當(dāng)超過一定時(shí)間后，如果燈仍然不能被點(diǎn)亮，則停止尖峰電壓發(fā)生線路的工作。為了降低HID燈的EOL風(fēng)險(xiǎn)，點(diǎn)火動(dòng)作應(yīng)該是間斷式的(burst ignition),這一點(diǎn)后面再詳述。流峰值的大小，可以給燈提供恒定的Runup電流。而在燈的正常工作階段，根據(jù)燈電壓的變化，控制BUCK變換器輸入電流的平均值，可以實(shí)現(xiàn)恒功率控制或者恒光包控制。在燈的EOL階段，通過監(jiān)控BUCK變換器的輸出電壓的變化范圍，來識(shí)別燈的EOL狀態(tài)并EOL保護(hù)。雖然HID鎮(zhèn)流器三級(jí)線路同燈之間的匹配最友善，但是該線路對(duì)電能要通過三級(jí)處理，所以線路效率比兩極線路低;并且，三級(jí)線路需要較多的元器件，元器件的成本可能比兩線路高;再者，三線線路中，PCB面積大，不利于鎮(zhèn)流器小型化的發(fā)展趨勢。正是由于三線線路的這些不易彌補(bǔ)的缺點(diǎn)，兩極線路才是今后主流的發(fā)展方向。在兩級(jí)的FBCF線路中(圖2中)，除了要實(shí)現(xiàn)低頻換向的功能外，還要輸出穩(wěn)定的OCV電壓(點(diǎn)火階段)和限流(Rrunp階段和正常工作階段)等功能。FBCF的直流輸入電壓一直穩(wěn)定在400V，在燈的點(diǎn)火階段，通過調(diào)整高頻橋臂開關(guān)的占空比，可以將燈電極兩端的OCV電壓調(diào)整到設(shè)定值;在Runup階段和正常工作階段，電感L2工作在臨界電流模式，通過調(diào)整高頻橋臂開關(guān)的Ton (每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的通態(tài)時(shí)間)，可以控制L2，電感電流的峰值，并進(jìn)一步控制燈電流的大小。顯然，F(xiàn)BCF純種兼具三級(jí)線路中的BUCK變換器和低頻換向逆變橋的所有功能。在兩級(jí)的HBCF線路中(圖2下)，除了實(shí)現(xiàn)低頻換向的功能外，還要實(shí)現(xiàn)限流(Runup階段和正常工作階段)功能。在Runup 階段和正常工作階段，電感L2工作在臨界電流模式，通過調(diào)整高頻橋臂開關(guān)的Ton ( 通態(tài)時(shí)間) ，可以控制L2電感電流的峰值，并進(jìn)一步控制燈電流的大小。相對(duì)于兩級(jí)線路而言，在HID 燈的各個(gè)工作階段，三級(jí)線路鎮(zhèn)流器自身的可靠性也比較高，因?yàn)樵贖ID 電子鎮(zhèn)流器線路中，可靠性方面最大的“原理級(jí)隱患”來自于工作在高頻開關(guān)狀態(tài)的橋式結(jié)構(gòu)。原因是這樣的: 如果橋臂開關(guān)管體內(nèi)寄生二極管反向恢復(fù)時(shí)間長( 如 150nS) ，則上開關(guān)管( 或下管) 開通時(shí)刻下管( 或上管) 的體內(nèi)寄生極管可能還處在續(xù)流狀態(tài)，上管( 或下管) 的開啟，會(huì)在下管( 或上管) 的體內(nèi)寄生二極管中引起劇烈的反向恢復(fù)， 并進(jìn)一步引起下管( 或上管) 的誤導(dǎo)通，從而導(dǎo)致上下開關(guān)管直通而燒毀橋臂。雖然三階線路也有橋式結(jié)構(gòu)，但是橋臂開關(guān)工作于70Hz 400Hz 的低頻，基本避免了高頻工作開關(guān)管體內(nèi)寄生二極管反向恢復(fù)慢所導(dǎo)致的橋臂燒毀的問題。而在標(biāo)準(zhǔn)的兩極線路中，橋臂開關(guān)管工作在高頻狀態(tài)，此時(shí)鎮(zhèn)流器的可靠性將成為一個(gè)突出的問題。為了降低兩級(jí)線路在可靠性上的風(fēng)險(xiǎn)，HBCF線路有兩種應(yīng)用廣泛的改進(jìn)版本，如圖3 所示。改進(jìn)版本1 ( 圖3 左，Philips 方案) : 將標(biāo)準(zhǔn)的半橋改變?yōu)殡pBUCK 結(jié)構(gòu)，引入外部快恢復(fù)二極管來給電感電流續(xù)流，完全消除了橋式結(jié)構(gòu)MOS 管直通的問題。改進(jìn)版本2 ( 圖3 右，Osram 方案) : 在橋臂兩個(gè)MOS 管的漏極分別串入肖特基二極管，以便阻斷MOS 管體內(nèi)寄生二極管的工作，再反并聯(lián)快恢復(fù)二極管給電感電流續(xù)流，該方案也基本消除了橋臂直通的問題，但是要注意肖特基的溫升。實(shí)現(xiàn)HBCF 電感電流臨界工作模式( 提高橋臂可靠性) ，同時(shí)保證電感電流的峰值是可控的( 以便控制燈電流大小并限制橋臂開關(guān)最大電流) ， 則在HBCF 控制線路中必須具備兩個(gè)基本功能，即電感電流峰值檢測功能和電感電流過零檢測功能，以便快速控制橋臂開關(guān)的開通和關(guān)斷動(dòng)作。在HBCF線路中，國際知名照明公司都有各自的專用芯片來實(shí)現(xiàn)電流峰值檢測和電流過零檢測的功能，譬如飛利浦公司的CCIC 芯片， 銳高公司的CM3493 芯片等。國內(nèi)雖然有許多HID 電子鎮(zhèn)流器生產(chǎn)企業(yè)，但是都沒有一款擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的控制芯片，所以國內(nèi)HID 鎮(zhèn)流器的主線路絕大部分都是采用三級(jí)結(jié)構(gòu)。少數(shù)幾家國內(nèi)小企業(yè)嘗試仿造飛利浦公