1、金鹵燈電子鎮流器分段控制策略的研究StudyofAPiecewiseLinearityControlStrategyforElectronicBallastforMetalHalideLamp黃星星1盛曉東2吉宇11 .東南大學電氣工程學院，(江蘇，南京，210096)2 .南瑞繼保電氣有限公司，(江蘇，南京，211102)HuangXingXing1,ShengXiaoDong2,JiYu1SoutheastUniversity/SchoolofElectricalEngineering(NanjingJiangsu,210096,China)2.Nari-RelayElectricCO.,

2、LTD(Nanjing,Jiangsu,211102,China)摘要：針對新型電光源-金鹵燈的負阻特性，本文介紹了一種金鹵燈分段線性模型，并提出一種適用于金鹵燈分段線性化啟動特性和穩態恒功率控制的控制策略，設計了70W金鹵燈電子鎮流器樣機以驗證這種控制方法的可行性和實用性。關鍵詞：金屬鹵化物燈電子鎮流器分段線性化Abstract:AccordingtonegativeresistancecharacteristicsofMetalHalideLamp(MHL),apiecewiselinearmodelforMHLisintroducedinthispaper.Anewspecialcont

3、rolstrategyofelectronicballasttomatchtheMHlampspropertieshasbeengivenout.Thefeasibilityandpracticalityofthecontrolstrategyisverifiedbyalaboratoryprototypeof70welectronicballast.KeyWords:Metalhalidelamp,Electronicballast,Piece-wise-linear中圖分類號TM923.61文獻標識碼A1引言金屬鹵化物燈(MHL)作為綠色照明光源中高壓氣體放電燈(HID)的典型代表，具有高

4、光效、顯色性好、功率高、壽命長等優點，因而被稱為最理想的光源，廣泛應用各種場合，如汽車前燈、放映機燈等1。金鹵燈工作時須采用電子鎮流器補償自身的負阻特性，金鹵燈觸發前處于開路狀態；在觸發初期，電弧電流很大，燈電壓低；當正常工作時，燈又運行在高氣壓電弧放電狀態。從啟動到穩定工作期間，燈阻抗變化很大，使得金鹵燈電子鎮流器的控制規律成為一個難題。因此，為了保證金鹵燈可靠點亮和正常工作，本文在分析了金鹵燈分段線性回歸模型的基礎上，提出適用于該特性負載的分段線性化控制策略。實驗結果表明，采用分段控制策略的電子鎮流器，能夠很好的匹配金鹵燈負載阻抗文章編號：1561-0349(2011)03-的變化，其電流

5、總諧波(THD)值15%,輸出電壓誤差士2%。2金鹵燈分段線性模型。目前金鹵燈模型中較為實用的主要有五種：物理模型、經驗級模型、PSpice動態模型、小信號模型及分段回歸模型2。根據金鹵燈從觸發到穩定工作各階段實驗數據建立的，分段線性回歸模型最為簡單實用。主要思想是在金鹵燈各工作階段，均采用直線來近似其電壓電流變化規律，燈總體工作特性便可用三段直線來近似。以70W金鹵燈為例，各線性段的方程如下。(1)第一段tw0,t。uo可20%UO,80%UO；iO引150%IO,110%IO。這里t0取imin;則uo、iO的線性表達式為:Uo(t)=Uo(0).un(tn)_un(0).o0O，t_20

6、460t，t0io(t)加(0)io。)o(0)t0t=2.25_0.6t°金鹵燈等效電阻為:R(t)=uo(t)20360t(2)io(t)2.250.6t第二段tWt0,tJu0w80%Uo,100%Uo；iO可110%Io,100%Ioo取t110=2min,則uo、io的線性表達式為：uo(t1)_uo(t0)uo(t)=uo(t0)-O1O-0-(t_t0)=70-10tt1-t0io(t)W(t0),0(tl)0(t0)t1-t0(t0)i725。075t瞬間等效圖中符號改為斜體，腳注不變3電子鎮流器基本拓撲和分段控制策略3.1電子鎮流器的基本拓撲結構三級式電子鎮流器，因

7、其具有可靠性高、功率因數高、諧波含量低、適合各種功率的金鹵燈等優點，在工業界得到廣泛運用。三級式電子鎮流器的基本構成如圖2所示，第一級功率因數校正電路通常采用BoostAPFC電路3,在減小電流諧波提高功率因數的同時，為其后的功率控制級電路提供恒定直流母線電壓；第二級功率控制級采用Buck降壓電路實現燈的恒功率控制；第三級為全橋逆變電路，其輸出低頻方波來驅動金鹵燈，從而避免聲諧振的現象的發生。點火電路主要利用LC諧振的方式來產生高達數千V的高壓脈沖，從而完成金鹵燈的啟動。圖2中的單片機控制與保護電路的功能，主要是完成金鹵燈的啟動控制及金鹵燈穩定工作時的監測和保護，確保整個系統的正常運行。電阻為

8、：uo(t)R(t)=-0io(t)70-10t1.725-0.075t(3)第三段t>ti金鹵燈進入穩態運行。此時，金鹵燈可等效為純電阻。對于uoio有:io(t)=Io,等效電阻為uo(t)=UO,uO(t)R(t)=OR1io(t)圖2.電子鎮流器基本拓撲結構由上面的分析結果，可畫出金鹵燈分段線性特性曲線如圖1所示。圖中，第一段及第二段直線為金鹵燈點火成功后啟動過渡階段的工作特性;而三段直線為其穩態運行時的特性，此時金鹵燈可等效為純電阻Rio圖1金鹵燈分段線性模型3.2金鹵燈電子鎮流器的分段控制方法根據圖1金鹵燈分段線性模型可知，考慮金鹵燈電子鎮流器控制策略，應將其整個控制過程分為

9、三個階段：金鹵燈點火、點火成功后的過渡過程、穩態運行4。在金鹵燈點火階段，電子鎮流器應能保持在金鹵燈兩端，施加一定頻率的高壓點火脈沖直至其點火成功。三級式電子鎮流器中，通常是利用APFC電路輸出的較高直流母線電壓，通過脈沖變壓器啟動電路升壓后得到金鹵燈的點火脈沖。也就是說，在點火階段，三級式電子鎮流器應保證Buck功率控制電路輸出仍為前級APFC電路輸出。最簡單的實現方法即是控制Buck電路功率開關工作在高占空比情況下，如Buck控制芯片UC3843輸出驅動信號最大可達97%,可足以實現以上的控制功能。如圖2所示，采取電流閉環控制控制，當金鹵燈未點亮前，金鹵燈相當于開路，Buck控制芯片輸出最

10、大占空比，APFC輸出400V電壓通過脈沖變壓器啟動電路升壓后，得到金鹵燈的點火脈沖啟動金鹵燈。Vpref圖3電流閉環控制電路示意圖圖中電阻改為長方形，符號改為斜體，腳注改為小寫正體由圖1可知，點火成功后金鹵燈初始工作電壓很低，僅為其額定值的20%左右。因此，對于金鹵燈點火成功與否的判斷，可通過檢測鎮流器Buck電路輸出電壓值的變化情況來實現。若控制電路檢測到Buck輸出電壓值，由APFC直流母線電壓值驟降至金鹵燈額定工作電壓的20%左右，即可認為金鹵燈點火成功。金鹵燈點火成功后，即進入過渡階段。在這個階段，金鹵燈兩端電壓逐漸上升至其額定工作電壓，工作電流則逐漸下降并穩定至其額定值。一般來說，

11、過渡階段中金鹵燈工作電流越大，就越容易進入穩態。因此，控制電路應重點對金鹵燈工作電流進行調節。圖3所示的電路中，Vif為經電阻R檢測得到的Buck電路主電路開關電流反饋信號，可看作為電路輸出電流反饋信號，Vpreif為給定的額定電流參考信號。采用電流反饋的單閉環控制，可以很好地使流經金鹵燈電流逐漸下降并穩定在額定電流。在此過渡過程中，單片機實時檢測Buck電路輸出電壓，若檢測到Buck輸出電壓值由過渡階段初始值上升至金鹵燈額定工作電壓值時，即可認為金鹵燈進入了穩態運行階段。穩態運行階段，為了保證金鹵燈的使用壽命及輸出光通量、相關色溫指數，電子鎮流器輸出功率應維持在燈額定功率這一恒定值。因此，這

12、個階段電子鎮流器應采用功率閉環控制。恒功率控制的實現過程如圖4所示。當單片機檢測到BUCK輸出電壓上升至金鹵燈額定工作電壓值時，單片機向多路選通開關輸出驅動電平，使得Buck開關管上電流反饋信號與Buck輸出電壓反饋信號相加，作為輸出功率采樣信號，電路工作在功率反饋閉環控制中。將功率采樣信號與功率基準參考信號Vprepf相比較的結果，作為功率開關的的驅動信號，從而實現Buck電路的恒功率輸出。適當選擇功率參考信號Vprepf,就可以保證Buck電路的恒功率輸出為金鹵燈的額定功率5圖4恒功率控制電路示意圖圖中電阻改為長方形，符號改為斜體，腳注改為小寫正體根據以上分析，數字控制電路要始終保持檢測B

13、uck電路輸出電壓，根據檢測到的Buck輸出電壓而對Buck電路功率控制環節實行適應的控制。4程序控制流程設計由上述金鹵燈電子鎮流器分段控制策略及數字控制電路的設計，可得出軟件控制程序流程圖，如圖5所示。鎮流器上電初始化（這里主要指數字控制電路的初始化）后，控制電路先對裝置進行故障檢測，若鎮流器工作正常，則控制其向金鹵燈提供高壓點火脈沖；若金鹵燈成功啟動進入過渡階段，控制電路控制多路選通開關選通電流反饋信號，使得Buck電路工作在電流反饋控制模式；若控制電路檢測到Buck電路輸出電壓高于其設定穩態值，則認為金鹵燈進入穩態運行階段；穩態運行時，控制電路控制多路選通開關選通功率反饋信號，使Buck

14、電路工作在恒功率輸出狀態，同時向全橋電路驅動芯片發送控制信號，使全橋電路工作在設定頻率的低頻方波工作狀態下；進入穩態運行后，控制電路始終保持對電子鎮流器工作狀態的監測，若電子鎮流器工作異常，則其控制鎮流器停止工作，等待重新上電運行。為了防止因負載端開路、燈故障等原因出現不斷點火過程，控制程序流程中設置了電子鎮流器的點火保護。令鎮流器輸出設定時間段的點火脈沖，若金鹵燈仍沒有成功啟動，則可能有鎮流器開路、燈故障及燈熱啟動等原因；此時令鎮流器待機一段時間后再次輸出點火脈沖，若是熱燈啟動，則待機時間中金鹵燈燈管冷卻，再次點火即可成功；若鎮流器仍未點火成功，且判斷點火次數Nig已達設定最大值Nmax,則

15、控制電路認為鎮流器空載或燈故障，令鎮流器停止工作以等待檢修。系統初始化故障檢測穩態運行，Bucki殳置為功率反饋模式全橋電路以設定恒頻率工作停止工作等待重啟J穩態故障檢測圖5控制主程序流程圖5實驗結果及分析根據以上的分析設計，制作了采用了分段線性控制的70W三級式恒功率金鹵燈電子鎮流器的原型。該電子鎮流器的設計要求如下：輸入電壓范圍是170Vac250Vac/50Hz;工作電壓變化之下，輸出電壓變化小于士2%;功率因數PF>0.95;電流總諧波（THD）值<15%;輸出功率：70W76W;點火電壓脈沖>3kV,Buck電路開關頻率：50kHz左右。圖6穩態后MHL兩端電壓采樣

16、波形實驗測試中，利用高壓脈沖啟動金鹵燈，在金鹵燈成功點亮進入穩態后，測試金鹵燈兩端電壓為約91V,見圖6（經分壓器采樣得到）。金鹵燈在進入圖7.穩態Buck電路MOS管驅動信號穩態運行后其等效電阻約115Q,電路輸出功率為91*91/115=72W,實現穩態恒功率控制，符合設計要求。使用調壓器調節輸入，使其在170Vac250Vac間變化，分別測試穩態時金鹵燈兩端電壓。測試結果顯示，其始終維持在91V,電壓變化率遠遠小于2%。從圖7的波形中可以看出，Buck電路開關頻率為1/20s=50kHz,穩態占空比約為23%,符合設計要求。6總結提出一種金鹵燈電子鎮流器分段線性控制策略，運用單片機檢測B

17、uck輸出電壓而分段確定控制方式，采用電壓電流雙重反饋控制實現恒功率和恒流控制，改善金鹵燈的啟動控制，延長燈壽命。由于采用一塊數字控制芯片，通過編程就能夠完成各項功能，因此電路結構更為簡單，集成度更高，可靠性也可以相應地得到提高，符合現代高質量的照明要求，有著較好的市場應用前景。參考文獻1林國慶，林梅珍，陳和平，等.一種金鹵燈用電子鎮流器及其控制方案發J.電力電子技術，2006,40（6）:11-13.2劉漢奎，呂壽坤，徐殿國，應用于電子鎮流器的高強度氣體放電燈建模方法綜J.2004,1001033路秋生.功率因數校正技術與應用M.北京：機械工業出版社，2006.34李俊杰.110V輸入大功率金鹵燈電子鎮流器研究D碩士論文.哈爾濱：哈爾濱工業大學,20075R.L.Lin,Y.D.Lee.Co