摘要：研究了一種新型的具有異常狀態(tài)自動保護和穩(wěn)態(tài)燈功率閉環(huán)的小功率金鹵燈電子鎮(zhèn)流器，分析其電路結構、工作原理和控制程序。啟動階段采用并聯負載諧振電路，穩(wěn)態(tài)階段采用半橋雙Buck電路。采用3次諧波諧振方式可以降低啟動電流，采用啟動電壓限幅值控制滑頻截止點可以克服元件參數離散性的影響。采用低頻方波方式可有效抑制穩(wěn)態(tài)的聲諧振。仿真及實驗結果證明了該電路的有效性。

關鍵詞：鎮(zhèn)流器；鹵素燈；諧振/金鹵燈

1.       引言

　　金鹵燈是一種第三代電光源，因其光效高，壽命長，在綠色照明中扮演了越來越為重要的角色。電子鎮(zhèn)流器作為一種節(jié)能照明電器，已成為實施綠色照明的重點內容之一。與傳統的電感鎮(zhèn)流器相比，電子鎮(zhèn)流器的體積和重量大大減小，能夠提高網側電能質量，改善照明質量。但是，現在市場上普遍應用的是電感鎮(zhèn)流器，主要原因是結構簡單，可靠性高，價格便宜。因此，對金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的開發(fā)提出了更高的要求，即必須滿足能可靠地啟動金鹵燈；提供恒定的額定功率；必須消除聲諧振現象；具有保護功能。本文主要針對于室內照明的小功率金鹵燈，設計其電子鎮(zhèn)流器的拓撲結構，研究其控制策略。

2.       拓撲結構、工作方式及控制策略

　　圖1示出設計的電子鎮(zhèn)流器的主電路拓撲結構。其啟動階段及穩(wěn)態(tài)工作階段分別采用半橋并聯負載諧振（Parallel Load Resonant，簡稱PLR）電路和半橋雙Buck電路。在金鹵燈啟動前，由于電弧管中填充的惰性氣體未電離，燈處于高阻抗狀態(tài)，可近似認為是開路的。在啟動階段，圖1中的Relay斷開，開關管VQ₁和VQ₂加互補的高頻驅動信號。圖2示出PLR電路。并聯的諧振電容C_p和諧振電感L(L₁和L₂之和)在高頻交流電壓驅動下諧振，從而在C_p兩端產生高電壓。

　　這時，諧振變換電路所加的驅動電壓為交流方波，幅值是直流母線電壓U_bus的50%。它的傅里葉級數展開式為：             （1）

　　PLR電路的固有諧振頻率為：

　　                                （2）

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　　圖3示出諧振電壓u_r和逆變電路開關頻率f_c的關系。從高頻向低頻，f_c越接近f_z，C_p上的諧振電壓u_r的幅度越大。PLR電路的輸入電壓是富含奇次諧波的方波電壓。如果方波電壓的基波頻率高于電路的f_z，則設計時可只考慮基波而忽略高次諧波的影響；如果方波電壓的基波頻率低于電路的f_z，則必須考慮高次諧波頻率的影響，諧波諧振可能成為u_r的主要部分。本文采用3次u_r諧振，有效減小了啟動時串聯電感中的電流，提高了功率電路的可靠性。

　　此外，采用在諧振峰的右側從高向低滑頻，諧振電路工作在感性區(qū)，可實現VQ₁，VQ₂的零電壓開通，減少MOSFET的開關損耗。由于參數的離散性，設計的諧振峰（圖3的曲線2）可能向左（圖3的曲線3）或向右（圖3的曲線1）偏移。如果靠設定滑頻截止點控制啟動過程，當諧振峰向左偏移時，達到滑頻截止點時，u_r可能仍然無法把燈點亮；當諧振峰向右偏移時，啟動過程可能滑過諧振峰，產生過高的u_r，損壞功率開關。所以，可通過設定啟動電壓u_g限幅值控制滑頻的截止點。當滑頻產生的高壓達到電壓限幅值，即所需的高壓時，自動停止滑頻。

　　燈點亮后，燈由原來的高阻特性轉變?yōu)榈妥栊?。待燈弧穩(wěn)定，燈功率達到設定值，圖1中的Relay閉合，采用的驅動信號變?yōu)榫哂懈哳l調制的低頻方波信號。此時，電路結構和工作模式具有明顯的對稱性，在低頻開關周期內具有Buck電路的工作特點，圖4示出半橋雙Buck電路結構。其燈電壓u₀和燈電流i_o都是低頻方波信號，可有效抑制燈聲諧振現象。因為當小功率金鹵燈的伏安特性為阻性時，同時正負交替變化的方波u_o和i_o使燈功率中沒有交流成分，從而不能激發(fā)聲諧振。

　　設計的電子鎮(zhèn)流器以FREESCALE的8位單片機為控制核心，通過檢測燈端電壓u_c和直流母線電流實現燈功率閉環(huán)控制和保護功能，當燈端出現開路、短路等異常狀態(tài)時鎮(zhèn)流器可進行自動保護。圖5示出控制程序框圖。啟動時，控制電路輸出互補的高頻方波信號控制 VQ₁，VQ₂的通斷，頻率從高向低滑動，u_c逐漸升高，通過設定u_c的限幅值來控制滑頻的截止點。當u_c突然降落，并低于設定的判斷值時，說明燈弧管里的氣體電離，進入單頻暫態(tài)過渡；當燈功率達到設定值，說明燈已經點亮，滿足了切換條件；當Relay閉合時，電路從并聯負載諧振切換到半橋雙Buck電路結構，控制電路輸出具有高頻調制的低頻方波信號，并進行穩(wěn)態(tài)功率閉環(huán)控制。半橋雙Buck電路的輸入端是400V的U_bus，因此通過對母線電流的采樣就能實現對燈功率的近似控制。如果在過渡過程或穩(wěn)態(tài)控制階段發(fā)生燈端開路或短路故障，則可自動封鎖功率電路輸出，進入延時保護狀態(tài)。

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3. 仿真及實驗結果

　　根據上述分析，并針對OSRAM的70W金鹵燈設計了電子鎮(zhèn)流器，進行了仿真和實驗驗證。

　　若使無輔助電極的小功率金鹵燈啟動，脈沖幅度應在17kV以上。圖6a示出采用Pspice仿真得到的電子鎮(zhèn)流器啟動時的燈端電壓u_c和電感電流i_L仿真波形；圖6b示出用Tek-1389C示波器采集到的電子鎮(zhèn)流器啟動時的u_c和i_L實驗波形?？梢姡捎玫?次諧波滑頻點燈方式輸出的電壓幅值可達2.5kV，可以提供足夠的啟動電壓。

　　圖6c示出采用Pspice仿真得到的穩(wěn)態(tài)時的燈電壓u_o和燈電流i_o仿真波形；圖6d示出用Tek-1389C示波器采集到的電子鎮(zhèn)流器穩(wěn)態(tài)時的u_o和i_o實驗波形?？梢?，u_o和i_o均接近頻率為100Hz的低頻方波，此時燈端功率近似為恒定值，能保證金鹵燈的穩(wěn)定工作，有效抑制了聲諧振現象。圖7示出穩(wěn)態(tài)時MOSFET的驅動電壓信號u_gVQ1和u_gVQ2波形。u_gVQ1和u_gVQ2在一個低頻工作周期內都可分成高頻驅動和低頻封鎖兩個階段，并且這兩個狀態(tài)在VQ₁和VQ₂中交替出現。在前半個工作周期內，驅動VQ₁高頻開關工作，而VQ₂處于封鎖狀態(tài)；在后半個工作周期內，驅動VQ₂高頻開關工作，VQ₁處于封鎖狀態(tài)。

4.       結論

　　研究的70W小功率金鹵燈電子鎮(zhèn)流器具有異常狀態(tài)自動保護和穩(wěn)態(tài)燈功率閉環(huán)控制。采用并聯負載諧振電路和啟動電壓幅值限制可克服元件參數離散性對啟動過程的影響，可保證燈可靠啟動。采用3次諧波諧振方式可降低啟動電流，提高可靠性。采用低頻方波方式可有效抑制燈穩(wěn)態(tài)工作時的聲諧振。通過仿真與實驗驗證，設計的小功率金鹵燈電子鎮(zhèn)流器在啟動及穩(wěn)態(tài)工作情況下均能滿足要求。