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[導(dǎo)讀]金鹵燈啟動(dòng)過程包括上電、點(diǎn)火、過渡、升壓和穩(wěn)態(tài)五個(gè)階段,在整個(gè)過程中存在強(qiáng)烈的非線性特性,特別是在燈擊穿后,將會(huì)出現(xiàn)負(fù)阻特性,因此電子鎮(zhèn)流器要采用不同的控制策略,使燈能夠從一個(gè)階段順利地進(jìn)入下一個(gè)階段。為了節(jié)約成本,提高燈的使用效率,本文采用二級(jí)拓?fù)潆娐反鎮(zhèn)鹘y(tǒng)的三級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),采用PFC級(jí)和全橋DC/AC級(jí)電路,實(shí)現(xiàn)小功率金鹵燈的穩(wěn)定啟動(dòng)。

  1.引言

  隨著科技進(jìn)步,人類對(duì)照明的需求也與時(shí)俱進(jìn),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(jì)元,進(jìn)入了金屬鹵化物燈的照明時(shí)代.較之前兩代產(chǎn)品,金鹵燈的啟動(dòng)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(duì)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(gè)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(jìn)展。

  在傳統(tǒng)的電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)中,往往采用三級(jí)電路拓?fù)?/strong>,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(jí)數(shù)越多使用的器件越多并且使產(chǎn)品設(shè)計(jì)愈顯復(fù)雜。

  因此為了節(jié)約設(shè)計(jì)成本簡化電路設(shè)計(jì),本文提出一種電子鎮(zhèn)流器二級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想。

  2.鎮(zhèn)流器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

  2.1 三級(jí)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

  在電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)中,最常采用的設(shè)計(jì)電路為傳統(tǒng)的三級(jí)拓?fù)洌到y(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(dú)立且各自完成相應(yīng)的功能。第一級(jí)的功率因數(shù)校正電路,可選用的拓?fù)錇锽OOST型和反激型的功率因數(shù)校正電路。

  第二級(jí)電路為DC/DC電路,其主要功能是控制燈啟動(dòng)過程中的電流和功率,穩(wěn)定燈的工作點(diǎn),這一級(jí)電路最常采用的拓?fù)錇锽UCK電路。

  第三級(jí)電路為DC/AC逆變電路,其主要功能是為燈提供一個(gè)交變的工作電流和電壓,常用拓?fù)錇榘霕蚝腿珮螂娐?傳統(tǒng)的三級(jí)電路每一級(jí)電路獨(dú)立執(zhí)行相應(yīng)的功能??刂葡鄬?duì)簡單,系統(tǒng)的可靠性較好。但是,傳統(tǒng)的三級(jí)低頻方波電路存在電路復(fù)雜、成本高、效率低等缺點(diǎn)。

  2.2 二級(jí)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

  近年來兩級(jí)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(jìn)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(dòng)過程中的電流,控制較三級(jí)電路復(fù)雜。

  (2)將DC/DC和逆變電路進(jìn)行合并,整個(gè)電路省去了DC/DC環(huán)節(jié),逆變電路進(jìn)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(jí)+全橋DC/AC級(jí)和PFC級(jí)+半橋DC/AC級(jí)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(hào)取樣困難控制電路復(fù)雜等,所以采用PFC級(jí)+全橋DC/AC級(jí)電路。

  3.鎮(zhèn)流器各級(jí)電路的控制策略

  電子鎮(zhèn)流器本身,實(shí)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(huì)使輸入電流嚴(yán)重畸變[5].特別是大量使用時(shí)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波污染且功率因數(shù)較低。對(duì)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(dá)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(jì)帶來一定麻煩。[!--empirenews.page--]

  而有源功率因數(shù)校正(APFC)技術(shù)被認(rèn)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(jì)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(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正,該芯片具有軟啟動(dòng)、欠/過壓保護(hù)、過流保護(hù)、開路保護(hù)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(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,芯片內(nèi)部振蕩器調(diào)節(jié)輸出PWM的占空比實(shí)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(diǎn)火擊穿以前,燈負(fù)載相當(dāng)于與開路,為了使得點(diǎn)火階段能夠正常,必須要有足夠高的開路電壓。這個(gè)電壓通過啟動(dòng)電路供給燈足夠高的電壓脈沖,擊穿燈管。

  點(diǎn)火過程金鹵燈需要3-5KV的電壓,同時(shí)這個(gè)脈沖要保持幾十微妙的時(shí)間,脈沖上升時(shí)間越短越好。在高壓脈沖的激勵(lì)下,經(jīng)過一次或幾次燈就會(huì)啟動(dòng),進(jìn)入下一階段。

  瞬間產(chǎn)生高壓通常采取DC/AC逆變電路實(shí)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?fù)湫问?,其器件承受的電壓較低,控制靈活,在自換流或者負(fù)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(jī),對(duì)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(shí)工作頻率超過1kHz時(shí),金鹵燈的工作狀態(tài)就會(huì)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?cè)谀孀冞^程中產(chǎn)生的PWM波不能超過1KHz,使用AT89S52單片機(jī)產(chǎn)生PWM波完全滿足設(shè)計(jì)需求,但是單片機(jī)輸出電壓過低,逆變過程需要用驅(qū)動(dòng)芯片來升高單片機(jī)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(dú)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(dòng)集成電路芯片,已在電源變換、馬達(dá)調(diào)速等功率驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。

  由單片機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)的金鹵燈電子鎮(zhèn)流器二級(jí)電路拓?fù)涞幕狙芯糠椒?。本文采用二?jí)拓?fù)潆娐反鎮(zhèn)鹘y(tǒng)的三級(jí)拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu),采用PFC級(jí)和全橋DC/AC級(jí)電路,省去了DC/DC級(jí)電路,降低了金鹵燈的生產(chǎn)成本,但能夠正常實(shí)現(xiàn)小功率金鹵燈的穩(wěn)定啟動(dòng),解決燈在被擊穿后出現(xiàn)的負(fù)阻特性,有利于金鹵燈在光源照明領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

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