金鹵燈電子鎮(zhèn)流器動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性研究
摘要：介紹了一種250W金鹵燈電子鎮(zhèn)流器，電路由PFC，Buck變換器和全橋逆變器組成。為了避免聲諧振，全橋逆變器工作在200Hz低頻方波，并在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)地研究金鹵燈的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性。
關(guān)鍵詞：電子鎮(zhèn)流器；金屬鹵化物燈；聲諧振
1 引言
目前，金屬鹵化物燈因其光效高，顯色性好，壽命長等優(yōu)點，已在眾多的照明領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。但由于其伏－安特性非線性的緣故，需要鎮(zhèn)流器進行啟動和穩(wěn)弧放電。
氣體放電燈，特別是金鹵燈在高頻工作時有聲諧振的問題，會導(dǎo)致弧光的不穩(wěn)定、色溫的變化、甚至息弧?？朔曋C振的方法主要有：
1）使氣體放電燈工作在極高頻[2]，超出聲諧振的頻率范圍，但是由于開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成正比，散熱和效率問題會變得異常突出；
2）使氣體放電燈工作在調(diào)頻狀態(tài)[3]，使得聲諧振不可能形成，但是各個廠家生產(chǎn)的氣體放電燈在外形上不太一樣，無聲諧振的頻帶也不一樣，所以也比較困難；
3）使氣體放電燈工作在低頻方波，聲諧振的頻帶一般在幾kHz到1MHz，所以聲諧振一般就不會形成了。
本文采用三級的電子鎮(zhèn)流器，工作于低頻方波模式，并采用恒功率控制，避免了采用恒流控制方法而導(dǎo)致的隨著燈泡的老化而燈電壓升高的問題。
2 電路拓?fù)?
本文介紹的250W電子鎮(zhèn)流器如圖1所示，是 針 對 美 國 電 網(wǎng) 市 電 標(biāo) 準(zhǔn) 開 發(fā) 的 ， 所 以 輸 入 電 壓 為 交 流120 V。 為 了 獲 得 較 高 的 功 率 因 數(shù) ， 第 1級 功 率 因 數(shù) 校 正 電 路 （ PFC） 將 120V交 流 電 轉(zhuǎn) 換 為 240 V直 流 ， 第 2級 DC/DC變 換 器 用 作 恒 功 率 控 制 ， 第 3級 DC/AC逆 變 器 將 直 流 轉(zhuǎn) 變 為 200 Hz方 波 電 壓 。 由 于 金 鹵 燈 燈 需 要 2～ 3 kV的 點 火 電 壓 ， 所 以 加 了 一 個 單 級 的 點 火 器 ， 用 來 產(chǎn) 生 高 壓 脈 沖 。 恒 功 率 控 制 采 樣 了 Buck變 換 器 （ 第 2級 DC/DC） 的 輸 出 電 壓 和 電 流 來 控 制 Buck變 換 器 的 PWM驅(qū) 動 信 號 。
圖1 電子鎮(zhèn)流器總框圖
3 電路工作原理
第 1級電路如圖2所示，由EMI濾波器和PFC電路組成。其中PFC電路采用MC34262芯片控制，可以獲得接近于1的功率因數(shù)，它將交流120V轉(zhuǎn)變?yōu)?40V直流，作為下一級DC/DC變換器的輸入。
圖2 第1級PFC主電路
第2和第3級的主電路如圖3所示，分別由一個Buck變換器和一個全橋逆變電路組成。當(dāng)金鹵燈起輝前，由于負(fù)載開路，電流檢測為零，Buck控制輸出最大占空比，Buck電路輸出為240V左右，經(jīng)R3向C3充電，當(dāng)充到雙向觸發(fā)管(SIDAC)的觸發(fā)電壓時，觸發(fā)管導(dǎo)通，C3放電，高壓加在升壓變壓器T1的原邊，副邊輸出一個2～3kV的高壓脈沖，加在金鹵燈的兩端，提供其點火電壓，如果一次點火失敗，C3又被充電，重復(fù)以上過程，直到金鹵燈被點亮。當(dāng)金鹵燈點亮后電流增大，則Buck變換器的輸出將會下降，穩(wěn)態(tài)工作點大約在120V，低于SIDAC的觸發(fā)電壓，不會產(chǎn)生高壓脈沖，當(dāng)燈泡壞了以后不需要關(guān)掉電源，只要重新?lián)Q上新的燈泡又可以重新點亮。
圖3 第2和第3級主電路 [!--empirenews.page--]
4 實驗結(jié)果和分析
一個250W電子鎮(zhèn)流器樣機驗證了上述方案，元件參數(shù)如下：LBoost=180μH，CBoost=400μF,LBuck=120μH，CBuck=1μF，RSense=0.1Ω，R1=200kΩ，R2=256Ω，R3=100kΩ，C3=1μF，T1匝比=1∶20。圖4是C3兩端的電壓波形?？梢钥吹絊IDAC的觸發(fā)頻率是3.6Hz，即大概需要280ms，當(dāng)SIDAC觸發(fā)導(dǎo)通時，副邊感應(yīng)出一個高壓脈沖，波形如圖5所示，尖峰電壓達到2kV。
圖4 C3兩端的電壓
圖5 燈兩端點火時電壓
1）動態(tài)特性
圖6顯示了燈從啟動到穩(wěn)態(tài)的整個過程中電壓電流的變化，從中可以看到恒功率的控制過程，燈從啟動到穩(wěn)態(tài)大概需要150s。圖7和圖8分別是燈電壓、燈電流隨時間變化曲線，燈電壓是隨時間慢慢增長的，相反燈電流是隨時間慢慢降低的。金鹵燈在啟動過程中經(jīng)歷了4個階段：氣體電離階段，輝光放電階段，輝光放電向弧光放電過渡階段以及弧光放電維持升壓階段。圖9是燈等效電阻隨時間的變化曲線，由于燈電阻的非線性，所以要用恒功率控制。
圖6 燈電壓、電流動態(tài)過程
圖7 燈電壓－時間曲線 [!--empirenews.page--]
圖8 燈電流－時間曲線
圖9 燈電阻－時間曲線
2）穩(wěn)態(tài)特性
圖10是燈的穩(wěn)態(tài)電壓、電流波形?？梢钥吹诫妷汉碗娏魇峭辔坏模妷汉碗娏魇蔷€性的，功率因數(shù)接近于1，所以穩(wěn)態(tài)時金鹵燈可以看作是一個電阻，250W金鹵燈大概為62Ω。
圖10 燈兩端穩(wěn)態(tài)電壓、電流波形
5 結(jié)語
實驗研究表明本文介紹的三級電子鎮(zhèn)流器具有可靠性高，穩(wěn)定性好的特點，啟動電路簡單，實用。文中同時給出了250W金鹵燈的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性。
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