采用IRS2573D的250W金鹵燈電子鎮(zhèn)流器電路

摘要： 介紹了采用IRS2573D 的250 W 金鹵燈電子鎮(zhèn)流器電路工作原理與應(yīng)用。IRS2573D 是IR 公司新近推出的一款HID 燈電子鎮(zhèn)流器用控制集成電路，具有集成度高和控制功能強(qiáng)的特點(diǎn)，是一款專用ASIC 集成電路，可用于不同輸出功率等級(jí)HID 燈電子鎮(zhèn)流器的應(yīng)用場(chǎng)合。利用IRS2573D 構(gòu)成的HID 燈電子鎮(zhèn)流器具有外圍電路簡(jiǎn)單，工作可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)。

1 HID 燈電子鎮(zhèn)流器與有關(guān)照明市場(chǎng)

常用HID 燈有金鹵燈、汞燈和鈉燈，它們具有工作效率高和輸出功率大的優(yōu)點(diǎn)，金鹵燈的發(fā)光效率大于100 lm/W,工作壽命可達(dá)20 000 h.在金鹵燈的應(yīng)用場(chǎng)合，金鹵燈內(nèi)部的工作氣壓高，兩個(gè)放電電極之間的間距小，工作時(shí)在兩個(gè)放電極間距之間直接產(chǎn)生可見光。

今天在許多室外照明應(yīng)用場(chǎng)合采用HID,HID 燈用電子鎮(zhèn)流器需具備點(diǎn)火、預(yù)熱、恒功率控制、功率因數(shù)校正和針對(duì)燈負(fù)載與電子鎮(zhèn)流器異常工作狀態(tài)的保護(hù)控制功能。在實(shí)用中，HID 燈電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)和控制較熒光燈電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)要復(fù)雜得多。

表1 表示目前市場(chǎng)上常用電光源的市場(chǎng)年復(fù)合增長(zhǎng)率( CAGR) 對(duì)比表，可見HID 燈在家居、商用和工業(yè)領(lǐng)域有很好的應(yīng)用空間，而白熾燈和鹵鎢燈的應(yīng)用前景不被看好。

表1 2007 ~ 2015 年燈產(chǎn)品的市場(chǎng)年復(fù)合增長(zhǎng)率( CAGR)

2 HID 燈的工作過(guò)程

HID 燈主要有四個(gè)工作階段，分別是擊穿、輝光放電、輝光放電轉(zhuǎn)為電弧放電和電弧放電。

( 1) 擊穿： 在HID 燈點(diǎn)火之前，HID 燈呈開路工作狀態(tài)。當(dāng)外加電壓大于HID 燈的擊穿電壓時(shí)，HID 燈內(nèi)的離子產(chǎn)生雪崩現(xiàn)象，內(nèi)部氣體發(fā)生電離，此時(shí)HID 燈電壓迅速下降，但是HID 燈電壓仍大于額定工作電壓，燈內(nèi)開始有放電電流產(chǎn)生。

( 2) 輝光放電： 在輝光放電期間HID 燈電壓迅速下降，而HID 燈電流迅速上升，輝光放電階段歷時(shí)時(shí)間非常短，此時(shí)HID 燈發(fā)出不穩(wěn)定的微光。

( 3) 輝光放電轉(zhuǎn)為電弧放電： 輝光放電轉(zhuǎn)為電弧放電期間是HID 燈的主要溫度加熱階段，在此階段HID 燈電壓小于額定工作電壓，HID 燈電流大于額定工作電流，隨著HID 燈工作溫度的上升，燈電壓逐漸增加，而燈電流將逐漸減小。最終，HID 燈電壓達(dá)到它的正常工作電壓( 典型值為100 V 左右) ,燈功率達(dá)到它的正常值，這個(gè)階段為一短暫過(guò)渡階段。

( 4) 電弧放電階段： 進(jìn)入電弧放電階段后，燈電極之間的電弧趨于穩(wěn)定，燈進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，HID 的燈電流、燈電壓和燈功率工作特性如圖1 所示。

圖1 HID 燈點(diǎn)火、預(yù)熱和工作模式下的燈電壓、燈電流和燈功率工作特性

通過(guò)電子鎮(zhèn)流器的控制作用，可以滿足HID 燈對(duì)預(yù)熱、啟動(dòng)和正常工作的有關(guān)技術(shù)要求。

3 250 W 金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的技術(shù)要求

使用時(shí)金鹵燈需要一個(gè)高達(dá)3 ~ 4 kV( 典型值)的點(diǎn)火電壓( 如果金鹵燈處于熱點(diǎn)火工作狀態(tài)則點(diǎn)火電壓要大于20 kV) ,而金鹵燈的工作需經(jīng)歷預(yù)熱工作期間的限電流、正常工作時(shí)的恒功率輸出控制等控制環(huán)節(jié)。金鹵燈工作時(shí)需嚴(yán)格控制燈功率，以確保每只金鹵燈發(fā)光顏色和發(fā)光亮度的一致性。并且，金鹵燈的驅(qū)動(dòng)電源為低頻交流電壓( 典型低頻交流驅(qū)動(dòng)電壓工作頻率不大于200 Hz) ,以避免金鹵燈工作時(shí)的汞遷移和避免產(chǎn)生聲共振的問(wèn)題，在聲共振的情況下會(huì)導(dǎo)致金鹵燈損壞。

對(duì)250 W 金鹵燈正常工作時(shí)的主要技術(shù)要求如下：

( 1) 正常工作時(shí)的輸出功率： 250 W;( 2) 正常工作燈電壓： 100 Vrms;( 3) 正常工作燈電流： 2. 5 Arms;( 4) 預(yù)熱時(shí)間： 不低于2. 0 s;( 5) 燈點(diǎn)火電壓： 4 000 Vpk.

下面介紹采用IRS2573D 的金鹵燈用電子鎮(zhèn)流器有關(guān)技術(shù)要求和控制方法，并給出了有關(guān)電路工作原理圖。

4 250 W 金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的電路工作原理

金鹵燈的典型電路工作原理框圖如圖2 所示，圖中的EMI 濾波器以阻斷電子鎮(zhèn)流器工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲對(duì)電網(wǎng)的干擾和電網(wǎng)高頻干擾信號(hào)對(duì)電子鎮(zhèn)流器正常工作的干擾。全波橋式整流電路用以將交流輸入市電整流輸出為直流電，升電壓輸出有源功率因數(shù)校正電路用于實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，并穩(wěn)定直流輸出母線電壓，降壓輸出Buck 變換器用于控制金鹵燈工作電流，全橋功率輸出級(jí)為金鹵燈負(fù)載提供驅(qū)動(dòng)功率，完成金鹵燈的點(diǎn)火，并使金鹵燈正常工作。

圖2 金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的典型工作原理框圖

在圖2 所示的電路中的Buck 變換器用以控制金鹵燈工作電流和燈功率，同時(shí)Buck 變換器也起將升電壓輸出有源功率因數(shù)校正電路輸出的直流高電壓變換為適合于金鹵燈工作的下級(jí)全橋變換器直流供電電壓，為下級(jí)全橋輸出級(jí)供電。Buck 變換器工作于電流連續(xù)導(dǎo)通工作模式( CCM) 或電流臨界導(dǎo)通工作模式( CRM) ,這取決于燈負(fù)載的工作狀態(tài)。

圖3 表示Buck 變換級(jí)和全橋變換級(jí)的電路工作原理框圖，在金鹵燈的預(yù)熱期間，一旦完成了金鹵燈的點(diǎn)火，金鹵燈的燈電壓很低，但是金鹵燈的工作電流很大，通過(guò)反饋控制回路控制Buck 變換器的導(dǎo)通時(shí)間，從而完成對(duì)金鹵燈工作電流的控制，在金鹵燈穩(wěn)定工作期間，通過(guò)燈功率反饋回路的控制作用控制Buck 變換器的導(dǎo)通時(shí)間( 如圖3 所示乘法器的燈功率輸出信號(hào)) ,從而完成對(duì)金鹵燈的燈功率控制。在金鹵燈的預(yù)熱工作期間，Buck 變換器的電流連續(xù)導(dǎo)通工作模式( CCM) 可以允許在Buck 電感不飽和的情況下為金鹵燈提供更大的工作電流。

圖3 Buck 變換級(jí)和全橋變換級(jí)的電路工作原理框圖[!--empirenews.page--]

假定Buck 變換器的400 V 輸入直流電壓保持恒定( 即升電壓輸出有源功率因數(shù)校正電路的400 V 輸出電壓保持恒定) ,取Buck 變換器的正常工作頻率為70 kHz,則Buck 電感的參數(shù)可以利用下式計(jì)算：

通過(guò)全橋變換電路為金鹵燈提供所需的燈電流和燈電壓，全橋變換電路的典型工作頻率為200 Hz,脈沖占空比為50%.在圖3 所示的點(diǎn)火控制電路中的雙向觸發(fā)二極管DIGN 用以產(chǎn)生金鹵燈點(diǎn)火所需的4 kV 點(diǎn)火脈沖電壓，通過(guò)MIGN 的導(dǎo)通來(lái)觸發(fā)點(diǎn)火電路的工作，RC 回路的放電時(shí)間常數(shù)由電阻RIGN 和電容CIGN 決定。當(dāng)雙向觸發(fā)二極管DIGN 兩端的電壓達(dá)到它的觸發(fā)閾值電壓VDIAC 時(shí)，雙向觸發(fā)二極管DIGN 擊穿，在點(diǎn)火脈沖變壓器TIGN 的初級(jí)繞組會(huì)產(chǎn)生一個(gè)點(diǎn)火脈沖電壓，從而在點(diǎn)火脈沖變壓器TIGN的次級(jí)升電壓繞組產(chǎn)生金鹵燈點(diǎn)火所需的4 kV 點(diǎn)火脈沖電壓。

這里采用了一片ASIC 控制集成電路IRS2573D,用它完成對(duì)Buck 變換級(jí)和全橋輸出級(jí)的控制，完成對(duì)金鹵燈幾個(gè)工作模式的控制，使金鹵燈正常工作。

IRS2573D 的工作狀態(tài)圖如圖4 所示。

圖4 IRS2573D 的工作狀態(tài)圖

在IRS2573D 內(nèi)部含有Buck 變換器控制、全橋變換器控制、燈電壓和燈電流檢測(cè)、燈功率和燈電流反饋控制環(huán)路、Buck 變換級(jí)( BUCK 引腳) 的600 V 高端柵極驅(qū)動(dòng)輸出電路，并具有逐周期過(guò)電流保護(hù)控制功能( CS 引腳) ,Buck 開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間由燈功率控制環(huán)路( PCOMP 引腳) 或燈電流限制環(huán)路( ICOMP 引腳)控制，Buck 開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間在臨界導(dǎo)通工作模式下由電感電流過(guò)零檢測(cè)輸入( ZX 引腳) 控制信號(hào)控制，或由連續(xù)導(dǎo)通工作模式( CCM) 下的關(guān)斷定時(shí)輸入信號(hào)( TOFF 引腳) 決定。

IRS2573D 內(nèi)部還集成了600 V 全橋高低端驅(qū)動(dòng)電路，全橋電路的工作頻率由接至外部定時(shí)引腳( CT引腳) 的元器件參數(shù)決定，燈電流和燈電壓的取樣信號(hào)( VSENSE和ISENSE引腳) 相乘后得到的信號(hào)可以反映燈功率的情況，通過(guò)點(diǎn)火定時(shí)輸出信號(hào)( IGN 引腳) 驅(qū)動(dòng)外接點(diǎn)火MOSFET 管的導(dǎo)通、截止完成燈的點(diǎn)火控制( 如圖3 所示) .點(diǎn)火電路由MOSFET 管( MIGN) 、雙向二極管( DIGN) 、電容( CIGN) 、電阻( RIGN) 和輸出升壓點(diǎn)火變壓器( TIGN) 組成，點(diǎn)火定時(shí)通過(guò)外接( TIGN 引腳) 元器件的參數(shù)來(lái)決定點(diǎn)火電路的導(dǎo)通、截止時(shí)間。同時(shí)，在IRS2573D 內(nèi)部也集成了可編程故障定時(shí)器( TCLK 引腳) ,用以在各種故障情況下設(shè)定可用于關(guān)斷IRS2573D 的故障持續(xù)時(shí)間。這些故障例如燈點(diǎn)火失敗、燈預(yù)熱失敗、燈壽命終止、燈電弧不穩(wěn)定、燈輸出電路開路或短路等。IRS2573D 含有HID燈電子鎮(zhèn)流器電路所需的有關(guān)控制功能。

采用IRS2573D 的250 W 金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的Buck 變換級(jí)和全橋變換級(jí)的電路工作原理圖如圖5所示。

圖5 Buck 變換級(jí)和全橋變換級(jí)的電路工作原理圖

5 小結(jié)

由于HID 燈具有節(jié)能、工作壽命長(zhǎng)和輸出功率大的特點(diǎn)，使HID 燈在道路照明和室內(nèi)照明的應(yīng)用場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。但是，HID 燈電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)是一件較復(fù)雜的工作。

由于電路采用了HID 燈電子鎮(zhèn)流器專用集成電路IRS2573D,并采用三級(jí)電路結(jié)構(gòu)( APFC,Buck 變換級(jí)和全橋變換級(jí)) ,所以極大地簡(jiǎn)化了HID 燈電子鎮(zhèn)流器電路的設(shè)計(jì)，這個(gè)電路根據(jù)需要稍加改動(dòng)即可以應(yīng)用于不同功率等級(jí)的金鹵燈電子鎮(zhèn)流器電路。