金鹵燈二級拓撲電子鎮(zhèn)流器控制策略的研究

1.引言

隨著科技進步，人類對照明的需求也與時俱進，經(jīng)歷了白熾燈、熒光燈兩代照明產(chǎn)品之后，人類開辟了照明史的新紀元，進入了金屬鹵化物燈的照明時代.較之前兩代產(chǎn)品，金鹵燈的啟動過程更為繁瑣，在此過程中需要電子鎮(zhèn)流器的參與。所以對鎮(zhèn)流器的研究成了光源照明技術(shù)發(fā)展過程中必不可少的環(huán)節(jié)。最初研究鎮(zhèn)流器主要面臨的技術(shù)難題是“聲諧振”

現(xiàn)象。隨著研究的深入，可采用低頻方波技術(shù)能有效的解決這個問題，使電子鎮(zhèn)流器應(yīng)用于金鹵燈獲得了極其重要的進展。

在傳統(tǒng)的電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計中，往往采用三級電路拓撲，包括率因數(shù)校正(PFC)電路、DC/DC電路和C/AC逆變電路[2].但是電路級數(shù)越多使用的器件越多并且使產(chǎn)品設(shè)計愈顯復(fù)雜。

因此為了節(jié)約設(shè)計成本簡化電路設(shè)計，本文提出一種電子鎮(zhèn)流器二級拓撲結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想。

2.鎮(zhèn)流器的電路拓撲結(jié)構(gòu)

2.1 三級電路拓撲結(jié)構(gòu)

在電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計中，最常采用的設(shè)計電路為傳統(tǒng)的三級拓撲，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由功率因數(shù)校正(PFC)電路、DC/DC電路和DC/AC電路組成，三部分電路相互獨立且各自完成相應(yīng)的功能。第一級的功率因數(shù)校正電路，可選用的拓撲為BOOST型和反激型的功率因數(shù)校正電路。

第二級電路為DC/DC電路，其主要功能是控制燈啟動過程中的電流和功率，穩(wěn)定燈的工作點，這一級電路最常采用的拓撲為BUCK電路。

第三級電路為DC/AC逆變電路，其主要功能是為燈提供一個交變的工作電流和電壓，常用拓撲為半橋和全橋電路.傳統(tǒng)的三級電路每一級電路獨立執(zhí)行相應(yīng)的功能?？刂葡鄬唵危到y(tǒng)的可靠性較好。但是，傳統(tǒng)的三級低頻方波電路存在電路復(fù)雜、成本高、效率低等缺點。

2.2 二級電路拓撲結(jié)構(gòu)

近年來兩級低頻方波電子鎮(zhèn)流器得到了很大的發(fā)展，主要有兩種功能組合方式：

(1)將功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)(PFC)和DC/DC進行合并，合并后的電路既要完成功率因數(shù)校正的功能，又需要控制燈的啟動過程中的電流，控制較三級電路復(fù)雜。

(2)將DC/DC和逆變電路進行合并，整個電路省去了DC/DC環(huán)節(jié)，逆變電路進行PWM調(diào)制，起到控制燈電流大小和換向的作用.此種方法主要有PFC級+全橋DC/AC級和PFC級+半橋DC/AC級兩種，但是，由于半橋雙BUCK低頻方波變換器開路輸出電壓低燈信號取樣困難控制電路復(fù)雜等，所以采用PFC級+全橋DC/AC級電路。

3.鎮(zhèn)流器各級電路的控制策略

電子鎮(zhèn)流器本身，實際上是一種AC/DC/AC的特種電源。采用二極管整流、電容濾波的整流環(huán)節(jié)會使輸入電流嚴重畸變[5].特別是大量使用時對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴重的諧波污染且功率因數(shù)較低。對于這種使用數(shù)量大的中小功率單相電源系統(tǒng)，最理想的方法是在電源內(nèi)部采取功率因數(shù)校正措施，從根本上消除諧波源。通常功率因數(shù)校正方法有兩種：有源功率因數(shù)校正(APFC)和無源功率因數(shù)校正(PPFC)。但無源功率因數(shù)校正(PPFC)的功率因數(shù)不是很高，只能達到0.8~0.9之間，很難接近1,并且電路中電感體積大且重，給電路設(shè)計帶來一定麻煩。

而有源功率因數(shù)校正(APFC)技術(shù)被認為是合適的選擇，很多公司也推出了各種成熟的功率因數(shù)校正芯片。此次設(shè)計我們采用的功率因數(shù)校正芯片就是TI公司最近新推出的UCC28019.

3.1 有源功率因數(shù)校正(APFC)電路

UCC28019是一款在連續(xù)工作模式下，采用平均電流控制策略，以固定頻率輸出PWM波控制開關(guān)管的通斷，實現(xiàn)功率因數(shù)校正，該芯片具有軟啟動、欠/過壓保護、過流保護、開路保護以及峰值電流限制等功能。

UCC28019通過調(diào)節(jié)BOOST電路的開關(guān)管的占空比來穩(wěn)定輸出電壓，在電路輸出端通過電阻分壓得到電壓反饋，將反饋電壓送入芯片內(nèi)部誤差比較器和基準電壓進行比較，芯片內(nèi)部振蕩器調(diào)節(jié)輸出PWM的占空比實現(xiàn)輸出穩(wěn)壓。

3.2 全橋DC/AC逆變電路

上電過程是在金鹵燈點火擊穿以前，燈負載相當(dāng)于與開路，為了使得點火階段能夠正常，必須要有足夠高的開路電壓。這個電壓通過啟動電路供給燈足夠高的電壓脈沖，擊穿燈管。

點火過程金鹵燈需要3-5KV的電壓，同時這個脈沖要保持幾十微妙的時間，脈沖上升時間越短越好。在高壓脈沖的激勵下，經(jīng)過一次或幾次燈就會啟動，進入下一階段。

瞬間產(chǎn)生高壓通常采取DC/AC逆變電路實現(xiàn)。常見的逆變電路分為半橋逆變和全橋逆變。全橋逆變電路是逆變器中得到最廣泛應(yīng)用的拓撲形式，其器件承受的電壓較低，控制靈活，在自換流或者負載換流模式下都可以工作，不依賴變壓器參與逆變，因此采用全橋逆變的控制策略。

為了節(jié)約成本，數(shù)控芯片我們采用AT89S52單片機，對于金鹵燈電子鎮(zhèn)流器來說，存在所謂的“聲諧振”,當(dāng)穩(wěn)態(tài)時工作頻率超過1kHz時，金鹵燈的工作狀態(tài)就會變得不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定表現(xiàn)為共鳴。為了避免生這種現(xiàn)象，我們在逆變過程中產(chǎn)生的PWM波不能超過1KHz,使用AT89S52單片機產(chǎn)生PWM波完全滿足設(shè)計需求，但是單片機輸出電壓過低，逆變過程需要用驅(qū)動芯片來升高單片機產(chǎn)生的PWM波電壓。

我們選用IR2110芯片，IR2110是美國國際整流器公司(International Rectifier Company)利用自身獨有的高壓集成電路及無門鎖CMOS技術(shù)，是目前使用較廣的大功率MOSFET和IGBT專用柵極驅(qū)動集成電路芯片，已在電源變換、馬達調(diào)速等功率驅(qū)動領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。

由單片機產(chǎn)生PWM波，輸送給IR2110,經(jīng)過升壓后控制MOS關(guān)開關(guān)產(chǎn)生交變電流，逆變產(chǎn)生的交流電經(jīng)過1:10的升壓變壓器變壓后即可滿足金鹵燈的開啟電壓。

4.總結(jié)

上述僅是基于單片機設(shè)計的金鹵燈電子鎮(zhèn)流器二級電路拓撲的基本研究方法。本文采用二級拓撲電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)的三級拓撲結(jié)構(gòu)，采用PFC級和全橋DC/AC級電路，省去了DC/DC級電路，降低了金鹵燈的生產(chǎn)成本，但能夠正常實現(xiàn)小功率金鹵燈的穩(wěn)定啟動，解決燈在被擊穿后出現(xiàn)的負阻特性，有利于金鹵燈在光源照明領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。