一种金卤灯电子镇流器的新型控制方法

来源：电源技术应用作者：浙江大学许建炳钱照明

摘要：提出了一种两级无声谐振金卤灯电子镇流器的新型控制方法。镇流器包括功率因数校正、一个带降压功能的半桥逆变电路和点火电路。这种新型的控制方法使灯工作于400Hz的低频方波工作状态，保证不出现声谐振的发生。还提出了一种新颖且简单的方法，克服了逆变电路换向瞬间的电流过冲问题，降低了灯工作电流的波峰系数。70W金卤灯电子镇流器的样机验证了这种控制方法的可行性
关键词：金卤灯电子镇流器；低频逆变；恒流源；电流过冲

0 引言
现今，高强度气体放电灯由于它的发光效率高、色温好、寿命长等优点，已经被广泛地应用于广场、道路照明等场合。而其中的金属卤化物灯由于拥有诸多优点更被认为是最好的人造光源之一。但是，由于金卤灯的负阻特性和特殊的启动要求，必须和与之相匹配的镇流器共同使用。对比于传统的电感式镇流器，电子镇流器有着许多优点，对它的研究和开发也是电力电子行业的一大热点。

为了确保金卤灯不出现声谐振，电子镇流器一般工作于低频方波状态。传统的低频方波电子镇流器包括3级结构：功率因数校正电路、降压电路和全桥逆变电路。这种结构非常复杂而且造成了镇流器的成本昂贵。简化电路、降低成本已经成为如今研究的重点。一种方法就是把前两级功率因数校正和降压电路组成一级。这种方法可以减小镇流器的体积，但是可能伴随带来的问题就是降低了功率因数校正电路的表现，增加了开关器件的应力等不利因素。另一种方法就是把降压电路和逆变电路组合在一起。这种方法可以降低镇流器的体积和成本，但是控制方法可能相对复杂。

组合降压电路和半桥逆变电路在一起的方案是现在比较流行而且可行的方法。因为这种方式的电路相对最为简单，成本最低。为了促进这种方案的广泛应用，简化它的控制方法，克服这种电路的缺点，提高它的可靠性就成为研究的重点。

本文对此种电路提出了一种新型控制方法，并且提出一种简单有效的方法克服此电路在输出电流换向时发生的电流过冲问题，降低了波峰系数。

1 电路描述
电路的结构框图如图1所示。

1.l 电路工作模态的分析
S1、S2的门极信号如图2所示。当S1工作于高频状态时，S2被断开。此时，电路等效于一个Buck电路，S1相当于主功率开关，而S2的体二极管相当于Buck的二极管。两个开关管的工作状态会以400Hz的一个频率交替变化。这样，就可以得到一个低频的方波电流输出供给灯。

二极管关断时存在一个反向恢复问题，这会大大增加器件的开关损耗。为了避免这种情况的发生，我们让电路工作在电流断续状态下。图3是逆变级Buck电感电流的状态示意图。

当S1工作于高频状态而S2断开时，电路工作于3种工作模式。

1.l.l 模式1
S1开通，电流流过C1、S1、Rs、灯、点火电感和Lc图4是这种模式的等效电路图。其中点火电感的电感量远远小于电感L的电感量，假设电容C上的电压在每个开关周期中保持不变，电感L上的电压VL为

l.1．2 模式2
S1断开。由于电感电流不能突变，电流流过Rs、灯、点火电感、L、C2和D2o。图5是此种模式的等效电路图。电感L的电压为

1.1．3 模式3
S1仍然处于断开状态。但是电感￡的电流降为零。此时，电容C给灯提供能量，电流流过C、Rs、灯和点火电感。图6是此种工作模式的等效电路图。假设电容足够大，电容上的电压保持不变，我们能够从式(1)、式(2)中得到输出的灯电压为

式中：系数k1与电感电流下降时间有关，在图3中有着明确的表示。

当S1断开，S2工作于高频开关状态时，电路的工作过程基本上和上面的分析一致。

根据上面的分析，在每半个低频周期内半桥逆变电路可以等效为一个Buck降压电路。从而一个半桥逆变电路既可以提供给灯一个合适的T作电压又能使灯工作于低频方波状态。

1.2 闭环控制
因为金卤灯的负阻特性，为此我们控制镇流器的输出呈现为电流源的特性，以保证灯的稳定工作。图7是半桥电路的控制方法框图。通过Rs采样灯电流。采样电阻Rs上的电压是一个低频的方波信号。首先通过运放l把这个信号放大，然后经过一个整流电路把这个交流的方波信号整流成直流，再经过RC滤波后进行PI调节，调节输出为一个恒流源。可见这种控制方法等效于DC／DC的控制方法，简单且有效。

1.3 电流过冲
但是，这个电路存在一个严重问题就是在每个输出电流换向的瞬间会有很大的电流过冲。这样的尖峰电流会大大降低灯的使用寿命。本文提出了一种简单有效的方法克服这个问题。

图8是半桥驱动门极信号的产生电路，其中的D触发器、两个与门和两个或非门组合在一起用来减小驱动信号的占空比。而这个功能由控制脚(CP)来控制，当CP为高时，驱动的占空比就可以减小为大约原来的一半。这样我们就可以在每个输出电流换向的瞬间给CP一个高电平，减小驱动的占空比，以大大减小甚至消除过冲电流。图9为一个简单CP控制信号的产牛电路。图10为脚CP信号与低频逆变信号的时序图。

2 实验结果
采用上述控制方法的一个70W金卤灯电子镇流器样机已经完成。电路主要参数如下。
L=380 μH；
C=1μF；
Vo=200V；
fh=100 kHz；
f1=400Hz。

其中：fh为半桥电路驱动的高频和低频频率；
f1为半桥电路驱动的低频频率。

图11显示了输出电流换向时驱动信号的变化。图12为输出电流换向时电感电流的变化，可以看到电流的过冲相当小。图13为点火脉冲，由于点火是在低频情况下进行，所以点火成功率很高。图14为灯正常工作时的电流和电压波形，可以看出灯电流基本没有电流过冲的情况发生。整机效率约为90％，波峰系数为1．1。