采用超高頻點燈克服金鹵燈聲諧振問題的電子鎮流器研究

摘要：采用超高頻點燈的電子鎮流器可以有效地克服高強度氣體放電燈尤其是金鹵燈所固有的聲諧振問題。提出了一套設計負載電路參數的方案。合理地選擇電路參數，使其在諧振方式下工作，可以有效地降低電路損耗。

關鍵詞：超高頻；電子鎮流器；高強度氣體放電燈；聲諧振

0??? 引言

??? 電子鎮流器相對于傳統的電感式鎮流器，具有工作電壓范圍寬、體積小、重量輕、無頻閃、無噪聲、效率高等眾多優點，在熒光燈領域已經得到了成功應用。但是，對于高強度氣體放電燈，尤其是金屬鹵化物燈，由于其在高頻工作方式下存在聲諧振的問題，因此到目前為止依然難以得到大規模的推廣應用。

??? 針對聲諧振的問題，眾多學者進行了深入的研究，提出了一些解決的方案，主要有：低頻方波點燈方案；燈電流燈電壓反饋控制方案；掃頻控制與超高頻點燈方案。目前比較成熟可靠的是低頻方波點燈電子鎮流器，在道路照明或汽車頭燈領域的金鹵燈電子鎮流器大都采用這一控制方式；它的特點是逆變級工作頻率在幾百Hz，避開了聲諧振頻率的下限值。

??? 由于低頻方波電子鎮流器往往采用三級電路，同時逆變級為全橋結構，因而成本高，體積大，容易產生噪聲問題。

??? 如果將逆變級的工作頻率提高到聲諧振上限頻率之上，也可以有效地避免聲諧振的問題。對于功率較高、電弧管尺寸較大的HID燈，一般認為工作頻率在150kHz以上就可以避免聲諧振的發生；對于小功率、電弧管尺寸小的HID燈，上限頻率要提高到幾百kHz才行。

??? 當逆變級工作頻率為幾百kHz時，可使無源元件體積減小、成本降低、而且可以避免音頻噪聲。合理設計電路的工作點，采用軟開關方式，可以克服高頻工作時的EMI干擾與損耗的問題。

??? 本文提出了一種設計超高頻金鹵燈電子鎮流器的方法，給出了其仿真波形。樣機試驗結果表明超高頻工作方式可以成功地解決金鹵燈聲諧振的問題。

1??? 參數計算

??? 大功率電子鎮流器一般都包括PFC級與逆變級兩級電路。經過功率因數校正級后，入端功率因數可達0.99以上，同時使后級直流母線電壓維持在400V。

??? 逆變級采用半橋電路，如圖1所示，其中Igniter為脈沖點火器。

圖1??? 高頻逆變電路

??? 如果電容C很大，可以將其視為僅起隔直作用。圖2是當L=32μH，C=1μF時，用Pspice仿真得到的開關管電壓波形與負載電流波形。可以看出，開關管在負載電流最大時關斷，這時關斷損耗最大。在300kHz的工作頻率下，MOS管會產生很大的開關損耗。

圖2??? L=32μH，C=1μF時開關管電壓與負載電流的仿真波形

??? 合理地選擇LCR電路的Q值與工作頻率，使其在串聯諧振方式下工作，可以有效地減小高頻開關損耗，改善開關波形，進而降低EMI噪聲。

??? LCR串聯諧振電路參數設計如下。

??? LC諧振電路的品質因數Q，電路工作頻率f_w，特征頻率f_o，金鹵燈等效電阻R，等效負載電路如圖3所示。

圖3??? LCR等效負載電路圖

??? Q=（1）

??? f_o=（2）

LCR等效導納Y(ω)為

??? Y(ω)=（3）

燈電壓U_L為

??? U_L=U₁Y(ω)R=（4）

式中：U₁為加在LCR兩端方波電壓的基波有效值，

??? 對于半橋??? U₁=U_d

??? 對于全橋??? U₁=U_d

??? 設定Q值，由式（1），式（2），式（3）和式（4）可以確定L與C的值。

2??? 仿真結果

??? 將諧振電路的Q值設為2.5，逆變級工作頻率為250kHz，由此計算得到的LCR諧振參數如下：

??? 燈電感L??? 119μH；

??? 燈電容C??? 5nF。

??? 圖4是開關管電壓與燈電流的Pspice仿真波形。由圖4可以看出開關管在燈電流過峰值開始下降后關斷。

圖4??? L=119μH，C=5nF時開關管電壓與負載電流的仿真波形

3??? 實驗結果

??? 樣機的參數如下：

??? 工作頻率??? 250kHz；

??? 燈電感L??? 110μH；

??? 燈電容C??? 5nF；

??? 圖5給出了燈電壓波形，由于高頻下金鹵燈近似為一純電阻，所以電流波形與電壓波形相同。由圖5中可以看出，開關管是在電流波形有缺口處，即在電流過峰值開始下降后關斷。在此情況下，MOS管的開關損耗大為降低。

圖5??? 燈電流波形

??? 圖6是將時間軸放長后的燈電流波形，將其與聲諧振發生時的燈電流波形圖7比較，可以看出：燈電流穩定，沒有低頻抖動；圖8給出的燈電弧的照片也表明燈電弧是穩定的。

圖6??? 燈電流波形

圖7??? 聲諧振發生時燈電流波形

圖8??? 燈電弧（穩定）

4??? 討論

??? 逆變級工作頻率在幾百kHz時，開關損耗與磁性元件損耗都大為增加，需要合理設計參數與驅動電路，選擇性能更優良的磁性材料。諧振方式下，電容的兩端電壓隨Q值增加而增大；同時，Q值過高容易使鎮流器的功率偏差增大。

??? 目前的逆變級采用開環方式，可以采用控制FPC輸出直流電流的方式來實現功率的閉環控制。

5??? 結語

??? 采用超高頻點燈的電子鎮流器可以有效地克服高強度氣體放電燈，尤其是金鹵燈所固有的聲諧振問題。本文提出了一套設計負載電路參數的方案。合理地選擇電路參數，使其在諧振方式下工作，可以有效地降低電路損耗。