金鹵燈電子鎮(zhèn)流器分段控制策略的研究

1、金鹵燈電子鎮(zhèn)流器分段控制策略的研究Study of A Piecewise Linearity Control Strategy for Electronic Ballast for Metal Halide Lamp 黃星星1 盛曉東2 吉宇1 1.東南大學電氣工程學院，(江蘇，南京，210096) 2.南瑞繼保電氣有限公司，(江蘇，南京，211102）Huang XingXing1, Sheng XiaoDong2, Ji Yu1 1.Southeast University/School of Electrical Engineering (Nanjing Jiangsu, 210096

2、, China)2.Nari-Relay Electric CO.,LTD (Nanjing, Jiangsu, 211102, China) 摘要：針對新型電光源-金鹵燈的負阻特性，本文介紹了一種金鹵燈分段線性模型，并提出一種適用于金鹵燈分段線性化啟動特性和穩(wěn)態(tài)恒功率控制的控制策略，設計了70W金鹵燈電子鎮(zhèn)流器樣機以驗證這種控制方法的可行性和實用性。 關鍵詞：金屬鹵化物燈 電子鎮(zhèn)流器 分段線性化Abstract: According to negative resistance characteristics of Metal Halide Lamp(MHL),a piecewise lin

3、ear model for MHL is introduced in this paper. A new special control strategy of electronic ballast to match the MH lamps properties has been given out. The feasibility and practicality of the control strategy is verified by a laboratory prototype of 70w electronic ballast .Key Words: Metal halide l

4、amp, Electronic ballast, Piece-wise-linear中圖分類號T M923.61 文獻標識碼 A 文章編號：1561-0349（2011）03-1 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，具有高光效、顯色性好、功率高、壽命長等優(yōu)點，因而被稱為最理想的光源，廣泛應用各種場合，如汽車前燈、放映機燈等1。 金鹵燈工作時須采用電子鎮(zhèn)流器補償自身的負阻特性，金鹵燈觸發(fā)前處于開路狀態(tài);在觸發(fā)初期，電弧電流很大，燈電壓低;當正常工作時，燈又運行在高氣壓電弧放電狀態(tài)。從啟動到穩(wěn)定工作期間，燈阻抗變化很大，使得金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的控制規(guī)律成

5、為一個難題。因此，為了保證金鹵燈可靠點亮和正常工作，本文在分析了金鹵燈分段線性回歸模型的基礎上，提出適用于該特性負載的分段線性化控制策略。實驗結果表明，采用分段控制策略的電子鎮(zhèn)流器，能夠很好的匹配金鹵燈負載阻抗的變化，其電流總諧波（THD）值15%，輸出電壓誤差±2%。2 金鹵燈分段線性模型。 目前金鹵燈模型中較為實用的主要有五種：物理模型、經(jīng)驗級模型、PSpice動態(tài)模型、小信號模型及分段回歸模型2。根據(jù)金鹵燈從觸發(fā)到穩(wěn)定工作各階段實驗數(shù)據(jù)建立的，分段線性回歸模型最為簡單實用。主要思想是在金鹵燈各工作階段，均采用直線來近似其電壓電流變化規(guī)律，燈總體工作特性便可用三段直線來近似。以7

6、0W金鹵燈為例，各線性段的方程如下。（1） 第一段 ；。這里t0取1min;則、的線性表達式為：；。金鹵燈等效電阻為： (1)（2） 第二段 ；。取min，則uO、iO的線性表達式為:瞬間等效電阻為： (2)（3） 第三段 金鹵燈進入穩(wěn)態(tài)運行。此時，金鹵燈可等效為純電阻。對于，有：，,等效電阻為 (3)由上面的分析結果，可畫出金鹵燈分段線性特性曲線如圖1所示。圖中，第一段及第二段直線為金鹵燈點火成功后啟動過渡階段的工作特性;而三段直線為其穩(wěn)態(tài)運行時的特性，此時金鹵燈可等效為純電阻R1。圖1 金鹵燈分段線性模型圖中符號改為斜體，腳注不變3電子鎮(zhèn)流器基本拓撲和分段控制策略3.1電子鎮(zhèn)流器的基本拓撲

7、結構三級式電子鎮(zhèn)流器，因其具有可靠性高、功率因數(shù)高、諧波含量低、適合各種功率的金鹵燈等優(yōu)點，在工業(yè)界得到廣泛運用。三級式電子鎮(zhèn)流器的基本構成如圖2所示，第一級功率因數(shù)校正電路通常采用Boost APFC電路3，在減小電流諧波提高功率因數(shù)的同時，為其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降壓電路實現(xiàn)燈的恒功率控制；第三級為全橋逆變電路，其輸出低頻方波來驅動金鹵燈，從而避免聲諧振的現(xiàn)象的發(fā)生。點火電路主要利用LC諧振的方式來產(chǎn)生高達數(shù)千V的高壓脈沖，從而完成金鹵燈的啟動。圖2中的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金鹵燈穩(wěn)定工作時的監(jiān)測和保護，確保

8、整個系統(tǒng)的正常運行。圖2. 電子鎮(zhèn)流器基本拓撲結構3.2金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的分段控制方法 根據(jù)圖1金鹵燈分段線性模型可知，考慮金鹵燈電子鎮(zhèn)流器控制策略，應將其整個控制過程分為三個階段：金鹵燈點火、點火成功后的過渡過程、穩(wěn)態(tài)運行4。在金鹵燈點火階段，電子鎮(zhèn)流器應能保持在金鹵燈兩端，施加一定頻率的高壓點火脈沖直至其點火成功。三級式電子鎮(zhèn)流器中，通常是利用APFC電路輸出的較高直流母線電壓，通過脈沖變壓器啟動電路升壓后得到金鹵燈的點火脈沖。也就是說，在點火階段，三級式電子鎮(zhèn)流器應保證Buck功率控制電路輸出仍為前級APFC電路輸出。最簡單的實現(xiàn)方法即是控制Buck電路功率開關工作在高占空比情況下，如B

9、uck控制芯片UC3843輸出驅動信號最大可達97%，可足以實現(xiàn)以上的控制功能。如圖2所示，采取電流閉環(huán)控制控制，當金鹵燈未點亮前，金鹵燈相當于開路，Buck控制芯片輸出最大占空比，APFC輸出400V電壓通過脈沖變壓器啟動電路升壓后，得到金鹵燈的點火脈沖啟動金鹵燈。圖3 電流閉環(huán)控制電路示意圖圖中電阻改為長方形，符號改為斜體，腳注改為小寫正體由圖1可知，點火成功后金鹵燈初始工作電壓很低，僅為其額定值的20%左右。因此，對于金鹵燈點火成功與否的判斷，可通過檢測鎮(zhèn)流器Buck電路輸出電壓值的變化情況來實現(xiàn)。若控制電路檢測到Buck輸出電壓值，由APFC直流母線電壓值驟降至金鹵燈額定工作電壓的20

10、%左右，即可認為金鹵燈點火成功。 金鹵燈點火成功后，即進入過渡階段。在這個階段，金鹵燈兩端電壓逐漸上升至其額定工作電壓，工作電流則逐漸下降并穩(wěn)定至其額定值。一般來說，過渡階段中金鹵燈工作電流越大，就越容易進入穩(wěn)態(tài)。因此，控制電路應重點對金鹵燈工作電流進行調(diào)節(jié)。圖3所示的電路中，Vif為經(jīng)電阻R檢測得到的Buck電路主電路開關電流反饋信號，可看作為電路輸出電流反饋信號，Vpreif為給定的額定電流參考信號。采用電流反饋的單閉環(huán)控制，可以很好地使流經(jīng)金鹵燈電流逐漸下降并穩(wěn)定在額定電流。在此過渡過程中，單片機實時檢測 Buck電路輸出電壓，若檢測到Buck輸出電壓值由過渡階段初始值上升至金鹵燈額定工

11、作電壓值時，即可認為金鹵燈進入了穩(wěn)態(tài)運行階段。穩(wěn)態(tài)運行階段，為了保證金鹵燈的使用壽命及輸出光通量、相關色溫指數(shù)，電子鎮(zhèn)流器輸出功率應維持在燈額定功率這一恒定值。因此，這個階段電子鎮(zhèn)流器應采用功率閉環(huán)控制。恒功率控制的實現(xiàn)過程如圖4所示。當單片機檢測到 BUCK輸出電壓上升至金鹵燈額定工作電壓值時，單片機向多路選通開關輸出驅動電平，使得Buck開關管上電流反饋信號與Buck輸出電壓反饋信號相加，作為輸出功率采樣信號，電路工作在功率反饋閉環(huán)控制中。將功率采樣信號與功率基準參考信號Vprepf相比較的結果，作為功率開關的的驅動信號，從而實現(xiàn)Buck電路的恒功率輸出。適當選擇功率參考信號Vprepf，

12、就可以保證Buck電路的恒功率輸出為金鹵燈的額定功率5圖4 恒功率控制電路示意圖圖中電阻改為長方形，符號改為斜體，腳注改為小寫正體根據(jù)以上分析，數(shù)字控制電路要始終保持檢測Buck電路輸出電壓，根據(jù)檢測到的Buck輸出電壓而對 Buck電路功率控制環(huán)節(jié)實行適應的控制。4 程序控制流程設計由上述金鹵燈電子鎮(zhèn)流器分段控制策略及數(shù)字控制電路的設計，可得出軟件控制程序流程圖，如圖5所示。鎮(zhèn)流器上電初始化（這里主要指數(shù)字控制電路的初始化）后，控制電路先對裝置進行故障檢測，若鎮(zhèn)流器工作正常，則控制其向金鹵燈提供高壓點火脈沖；若金鹵燈成功啟動進入過渡階段，控制電路控制多路選通開關選通電流反饋信號，使得 Buc

13、k電路工作在電流反饋控制模式；若控制電路檢測到Buck電路輸出電壓高于其設定穩(wěn)態(tài)值，則認為金鹵燈進入穩(wěn)態(tài)運行階段；穩(wěn)態(tài)運行時，控制電路控制多路選通開關選通功率反饋信號，使Buck電路工作在恒功率輸出狀態(tài)，同時向全橋電路驅動芯片發(fā)送控制信號，使全橋電路工作在設定頻率的低頻方波工作狀態(tài)下；進入穩(wěn)態(tài)運行后，控制電路始終保持對電子鎮(zhèn)流器工作狀態(tài)的監(jiān)測，若電子鎮(zhèn)流器工作異常，則其控制鎮(zhèn)流器停止工作，等待重新上電運行。 為了防止因負載端開路、燈故障等原因出現(xiàn)不斷點火過程，控制程序流程中設置了電子鎮(zhèn)流器的點火保護。令鎮(zhèn)流器輸出設定時間段的點火脈沖，若金鹵燈仍沒有成功啟動，則可能有鎮(zhèn)流器開路、燈故障及燈熱啟動

14、等原因；此時令鎮(zhèn)流器待機一段時間后再次輸出點火脈沖，若是熱燈啟動，則待機時間中金鹵燈燈管冷卻，再次點火即可成功；若鎮(zhèn)流器仍未點火成功，且判斷點火次數(shù)Nig已達設定最大值Nmax，則控制電路認為鎮(zhèn)流器空載或燈故障，令鎮(zhèn)流器停止工作以等待檢修。圖5 控制主程序流程圖5 實驗結果及分析根據(jù)以上的分析設計，制作了采用了分段線性控制的70W三級式恒功率金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的原型。該電子鎮(zhèn)流器的設計要求如下：輸入電壓范圍是170VAC 250VAC/50Hz；工作電壓變化之下，輸出電壓變化小于±2%；功率因數(shù)PF>0.95；電流總諧波（THD）值15%；輸出功率：70W76W；點火電壓脈沖&g

15、t;3kV，Buck電路開關頻率：50kHz左右。圖6 穩(wěn)態(tài)后MHL兩端電壓采樣波形 實驗測試中，利用高壓脈沖啟動金鹵燈，在金鹵燈成功點亮進入穩(wěn)態(tài)后，測試金鹵燈兩端電壓為約91V，見圖6(經(jīng)分壓器采樣得到)。金鹵燈在進入 圖7.穩(wěn)態(tài)Buck電路MOS管驅動信號穩(wěn)態(tài)運行后其等效電阻約115，電路輸出功率為91*91/115=72W，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)恒功率控制，符合設計要求。使用調(diào)壓器調(diào)節(jié)輸入，使其在170VAC250VAC間變化，分別測試穩(wěn)態(tài)時金鹵燈兩端電壓。測試結果顯示，其始終維持在91V，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1/20µs=50kHz, 穩(wěn)態(tài)

16、占空比約為23%，符合設計要求。6 總結提出一種金鹵燈電子鎮(zhèn)流器分段線性控制策略，運用單片機檢測Buck輸出電壓而分段確定控制方式，采用電壓電流雙重反饋控制實現(xiàn)恒功率和恒流控制，改善金鹵燈的啟動控制，延長燈壽命。由于采用一塊數(shù)字控制芯片，通過編程就能夠完成各項功能，因此電路結構更為簡單，集成度更高，可靠性也可以相應地得到提高，符合現(xiàn)代高質(zhì)量的照明要求，有著較好的市場應用前景。參考文獻1林國慶，林梅珍，陳和平，等.一種金鹵燈用電子鎮(zhèn) 流器及其控制方案發(fā)J.電力電子技術, 2006，40(6):11-13.2劉漢奎，呂壽坤，徐殿國,應用于電子鎮(zhèn)流器的高強度氣體放電燈建模方法綜J.2004，100103 3路秋生.功率因數(shù)校正技術與應用M.北京：機械工業(yè)出版社，2006.34李俊杰. 110V輸入大功率金鹵燈電子鎮(zhèn) 流器研究D碩士論文.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學,20075 R.L.Lin, Y. D. Lee.Constant power control based s