1、基于新型小功率汽車頭燈電子鎮流器的設計報告目 錄緒論31 電子鎮流器的概述41.1 電子鎮流器概念41.2 交流電子鎮流器的組成及其優點41.2.1 交流電子鎮流器的組成41.2.2 交流電子鎮流器的優點51.3 電子鎮流器的發展62 一種數字化小功率金鹵燈電子鎮流器的研究82.1 拓撲結構、工作方式及控制策略82.2 仿真及實驗結果112.3 結論13結束語14參考文獻15插圖索引圖1 電子鎮流器組成方框圖4圖2 熒光燈光效隨頻率變化曲線圖5圖3 主電路的拓補結構8圖4 并聯負載諧振電路8圖5 ur和逆變電路fc的關系9圖6 半橋雙Buck電路10圖7 控制程序框圖10圖8 不同狀態下的仿真

2、結果12圖9 穩態是MOSFET的ugVQ1和ugVQ2波形13 緒論現在，汽車頭燈電子鎮流器還存在的體積大，設計成本高，復雜等問題，現在較多的使用在高檔的汽車場合。所以，開發高性能、低成本的汽車頭燈電子鎮流器具有巨大的研究意義與實際價值，具有著相當好的應用前景。20世紀80年代，有精確尺寸的低功率小型石英金屬鹵化物燈在設計和生產兩方面都獲得了突破。同時，隨著人們生活及交往節奏的加快和高速公路的建成，要求不斷改善汽車夜間駕駛的安全性，為此需要有良好的前照燈視覺構造，因此世界各國開始用小功率氙金屬鹵化物燈代替常規的鹵鎢燈作為汽車前照燈的光源。通過在燈中充入幾個大氣壓的高壓氙氣作為啟動氣體來滿足汽

3、車前照燈瞬時發光的要求。目前，高強度汽車頭燈電子鎮流器系統是研究熱點之一，但是這種電子鎮流器設計復雜，價錢昂貴，且體積較大，只適用于高端汽車等應用場合。顯然，若能減小其體積和成本，其需求量將大量上升，因此有著相當好的應用前景！高強度氣體放電燈由于它的發光效率高、色溫好、壽命長等優點，已經被廣泛地應用于廣場、道路照明等場合。而其中的金屬鹵化物燈由于擁有諸多優點更被認為是最好的人造光源之一。但是，由于金鹵燈的負阻特性和特殊的啟動要求，必須和與之相匹配的鎮流器共同使用。而金鹵燈是一種第三代電光源，因其光效高，壽命長，在綠色照明中扮演了越來越為重要的角色。電子鎮流器作為一種節能照明電器，已成為實施綠色

4、照明的重點內容之一。對比于傳統的電感式鎮流器，電子鎮流器有著許多優點，對它的研究和開發也是電力電子行業的一大熱點。如電子鎮流器的體積和重量大大減小，能夠提高網側電能質量，改善照明質量。但是，現在市場上普遍應用的是電感鎮流器，主要原因是結構簡單，可靠性高，價格便宜。因此，對金鹵燈電子鎮流器的開發提出了更高的要求，即必須滿足能可靠地啟動金鹵燈；提供恒定的額定功率；必須消除聲諧振現象；具有保護功能。本文首先提出了采用模擬控制的汽車頭燈電子鎮流器；介紹了其基本原理和設計方法，它包括基本電路結構和主電路拓撲的選擇。此外，由于疝燈的啟動暫態過程極其復雜，因此如何較好地完成燈啟動過程的控制是一個難點。文中給

5、出了其恒功率切換及點火控制方案。最后，通過汽車頭燈電子鎮流器的樣機制作，較好地完成了包括恒功率環切換，較高點火電壓等燈從啟動到穩定的各個控制任務。然后采用數字控制，研究了一種新型的具有異常狀態自動保護和穩態燈功率閉環的小功率金鹵燈電子鎮流器，分析其電路結構、工作原理和控制程序。啟動階段采用并聯負載諧振電路，穩態階段采用半橋雙Buck電路。采用3次諧波諧振方式可以降低啟動電流，采用啟動電壓限幅值控制滑頻截止點可以克服元件參數離散性的影響。采用低頻方波方式可有效抑制穩態的聲諧振。仿真及實驗結果證明了該電路的有效性。本文通過模擬控制和數字控制兩種方法對汽車頭燈電子鎮流器進行了設計與研究，并指出了其中

6、的優點和缺點，新型的金鹵燈電子鎮流器的優越性，必將取代傳統的電感鎮流器。目前在技術上的難點有如怎么讓電子鎮流器結構設計的簡單，成本低一些，啟動過程中的控制等等，還有待進一步的研究和設計！1 電子鎮流器的概述1.1 電子鎮流器概念鎮流器是氣體放電燈用于啟動和限流的控制器件,由于氣體放電燈具有負伏安特性,要配以鎮流器來啟動燈的放電和限定燈內 惰性氣體電離升溫并使水銀蒸氣壓上升,當電子轟擊汞蒸氣放電后生成的紫外線激發熒光燈而發光,啟動完成后鎮流器起限流器的作用,使燈開始正常工作。1.2 交流電子鎮流器的組成及其優點1.2.1 交流電子鎮流器的組成交流電子鎮流器是將工頻（50/60Hz）交流電變成較高

7、頻率的交流電，并能使一個或幾個熒光燈正常啟動和穩定工作的變換器。交流電子鎮流器的核心就是高頻變換電路。交流電子鎮流器的基本功能方框圖如圖1所示。圖1 電子鎮流器組成方框圖在圖1中，工頻（50/60Hz）市電電壓在整流之前，首先經過射頻干擾（RFI）濾波器濾波。RFI濾波器一般由電感（L）和電容（C）元件組成，用來阻止鎮流器產生的高次諧波 反饋到輸入交流電網，以抑制對電網的污染和對電子設備的干擾，同時也可以防止來自電網的干擾侵入到電子鎮流器。對于高品質的電子鎮流器，在其全橋整流器與大容量的濾波電解電容器之間，往往要設置一級功率因數校正（PFC）升壓型變換電路。其作用就是獲得低電流諧波畸變，實現高

8、功率因數。DC/AC逆變器的功能是將直流電壓變換成高頻電壓。高頻變換部分的核心是功率開關元件?？勺鳛殚_關使用的晶體管有雙極型功率管、金屬一氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）、靜電感應晶體管（SIT）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等。逆變電路的開關頻率一般為2050KHz，輸出波形取決于電路結構的選擇。DC/AC逆變電路主要是半橋式逆變電路型式。高頻電子鎮流器的輸出級電路通常采用LC串聯諧振網絡。燈的啟動必須通過LC電路的發生串聯諧振，利用啟動電容兩端產生的高壓脈沖將燈引燃。在燈啟動之后，電感元件對燈起限流作用。由于電子鎮流器開關頻率達幾十千赫茲，故電感器只需很小體積即可勝任。為使電子鎮

9、流器安全可靠地工作，還要設計輔助電路。有的從鎮流器輸出到DC/AC逆變電路引入反饋網絡，通過控制電路以保證與高頻產生器頻率同步化。目前比較流行的異常狀態保護電路，是將電子鎮流器的輸出信號采樣，一旦出現燈開路或燈不能啟動等異常狀態，則通過控制電路使振蕩器停振，關斷高頻變換器輸出，從而實現保護功能1。1.2.2 交流電子鎮流器的優點與長期使用電感式（亦稱電磁式）鎮流器比較，電子鎮流器具有如下突出優點：1節電效果顯著。電子鎮流器的節電特征主要表現在以下三個方面：（1）增加光輸出，提高燈光效。事實上，影響熒光燈光效的許多因素是由設計者和制造者決定的，用戶無法控制。但熒光燈的發光效率受供電頻率的影響，而

10、該因素是可以控制的。對一些熒光燈的研究發現，熒光燈交流供電頻率從50Hz增加到20KHz以上時，燈光效一般可提高10%。在輸入功率不變的前提下，熒光燈光效（）隨頻率（f）變化曲線如圖2所示。很顯然，對于同樣的光輸出，采用電子鎮流器取代電感鎮流器后，輸入功率可以減小。圖2 熒光燈光效隨頻率變化曲線圖（2）自身功耗低。各種氣體放電燈電感鎮流器功耗一般約為燈功率的20%。40W熒光燈電感鎮流器一般為8W，只要不大于9W即可符合產品標準要求。而這種燈用的電子鎮流器功耗可低至4W以下。對于雙管58W、1500mm飛利浦出品的節能型熒光燈，當采用電感鎮流器時，則需要2只，每只鎮流器功耗達13W，兩只則為2

11、6W。但若采用電子鎮流器，只需要一個則可驅動與控制2只燈，鎮流器功耗僅約8W。毫無疑問，雙管及雙管以上熒光燈采用電子鎮流器后，節電效果更加明顯。雙管熒光燈電子鎮流器電路與單管熒光燈電子鎮流器電路比較，不同點只不過是在DC/AC逆變器輸出端多并接一個LC串聯支路。在電子鎮流器自身損耗相同的情況下，燈功率愈大，節能效果則愈顯著。（3）具有高功率因數。大家知道，熒光燈采用電感鎮流器，功率因數一般僅為0.50.6。而采取功率因數校正措施的電子鎮流器，系統功率因數很容易達到0.9以上,甚至能達到非常接近于1的水平,這是采用電感鎮流器難以實現的。線路功率因數的提高，在同樣的發電和變電設備條件下，能夠有效地

12、提高供電能力和電源利用率，改善供電質量，節約大量的電能。2體積小、重量輕、無閃爍、無躁聲。在工頻條件下使用的電感式鎮流器，大而笨重，要消耗掉大量的鋼材和銅材，而且會使燈產生頻閃效應，還會發出令人煩惱的蜂音。電子鎮流器在20KHz以上的高頻下工作，消除了躁聲和燈閃爍現象，避免了對人的噪音干擾和眼疲勞。在高頻下電子鎮流器只需采用很小的磁性元件，使重量大為減輕。16W2D型節能燈電感鎮流器重約400克，而該燈電子鎮流器僅約40克。40W熒光燈電感鎮流器約重900克，而相應的電子鎮流器僅重150200克。電子鎮流器體積的縮小，自鎮流熒光燈實現了燈和鎮流器一體化，使用E27螺口燈頭或B22卡口燈頭，與白

13、熾燈座通用，能直接替換白熾燈，安裝與更換十分方便。3在較低的電源電壓下可使熒光燈啟動。電感鎮流器在電網電壓降至190V以下時，則不能將燈啟動。目前我國電力供求矛盾仍然比較突出，在很多地區，尤其是廣大農村，線路電壓往往遠低于220V的額定值。在用電高峰期，交流供電電壓低于160V的情況經常發生。很多用戶因使用電感鎮流器，由于在較低電壓下不能將燈點燃是常感到惱火。而采用電子鎮流器，即使電源電壓降至130V，在室溫下仍可以正常點燃。電子鎮流器的這一特點，在我國倍受用戶青睞2。4汽車頭燈使用鹵化物燈的優點汽車前照燈應用小功率金屬鹵化物燈有如下許多優點其性能超過過去襲用的鹵鎢燈：（1） 汽車前照燈的功率

14、損耗降低。 （2）體積大大減小，可顯著改善汽車空氣動力學性能，有利于高速駕駛。（3）光輸出和光源亮度大大增加，使照射可見區域增大，道路及障礙視見度提高。（4） 延長了燈的使用壽命，降低了光輸出的衰退速度，從而改善了交通安全性，同時降低了維護和保險費用。1.3 電子鎮流器的發展由于高頻電子鎮流器較之工頻電感鎮流器具有一系列優點，故自其問世以后，在世界范圍內尤其是在一些工業發達國家中迅速得到推廣應用。微電子技術突飛猛進地發展，促進了高頻電子鎮流器性能及可靠性的不斷提高。世界很多著名半導體廠商，都看準了電子鎮流器所面臨的巨大商機，爭先恐后地推出了電子鎮流器專用功率開關器件和控制集成電路（IC）系列產

15、品，使電子鎮流器在技術上不斷得到創新。就電子鎮流器用功率開關器件來說，不僅有高壓高速雙極型晶體管，而且還有各種MOSFET和IGBT等場控型功率器件可供選用，并且日益顯示出其優越性。80年代初，飛利浦公司采用120余只元器件，開發了BHF132H12單管32W及BHF232H12型32W雙管熒光燈電子鎮流器。這種鎮流器是迄今利用分立元器件設計的功能最完善的代表性產品。1984年，西門子公司以高頻電子鎮流器中采用分立元器件設計的有源功率因數校正（APEC）電路為基礎，率先開發出TDA4812等APFC控制器IC，并成功地應用到電子鎮流器中，使系統功率因數達0.99以上。從80年代中期開始，尤其是

16、90年代，由于電子鎮流器的IC系列品種繁多。除了APEC控制器IC外，還有高壓高速自振蕩驅動IC、自振蕩驅動模塊和集PFC、預熱啟動、自振蕩驅動、可調光與各種保護功能于一身的IC系列產品。這些新器件的不段出現，使電子鎮流器的性能價格比日益提高。高頻電子鎮流器不僅用于熒光燈，而且在進入1990年后，開始用于高壓鈉（HPS）燈和金屬鹵化物燈等高強度放電（HID）燈。各種應急燈和霓虹燈電子變壓器，實際上其核心是高頻電子鎮流器電路。電子鎮流器在各種氣體放電燈的應用中，量最大的則是自鎮流熒光燈。目前在自鎮流熒光燈中，電子鎮流器幾乎全部取代了電感鎮流器3。電子鎮流器是一種與氣體放電燈配套使用的新型節能電子

17、產品，綠色照明產業在世界范圍內的蓬勃興起，為電子鎮流器的推廣使用提供了良好的機遇。大家知道，綠色是大自然的本色，它象征春天，同時又表示清潔寧靜。人們常常以綠色向往回歸大自然。所謂綠色照明，是在保證和改善照明質量的前提下，節約照明用電，減少因發電產生的SO2、CO2、NO2等廢氣和塵埃，達到保護環境之目的。顯而易見，綠色照明的核心就是節電。能源消耗與環境保護是當今世界共同關注的熱點。1992年，美國環境保護署在照明領域首先發起實施“綠色照明”，獲得發達國家的積極響應。我國在1996年也正式決定實施“綠色照明工程”。電子鎮流器作為一種節能照明電器，自然成為實施綠色照明的重點內容之一。由于我國半導體

18、器件生產廠家未能及時為電子鎮流器的開發提供令人滿意產品，我國早期開發電子鎮流器的技術起點又非常低，故與發達國家比較，國產電子鎮流器存在較大差距。目前該產品在我國并未完全解決在技術性能和可靠性等方面存在的問題。尤其是對高強度大功率放電燈電子鎮流器來說，仍未進入實用階段。但隨著綠色照明工程的實施，國產電子鎮流器的技術水平必將迅速提高，并會在國際市場的競爭中，占有一席之地。高頻電子鎮流器正在向集成化、模塊化、多功能、高可靠、長壽命和大功率方向發展，它與各種新型電光源正在形成充滿生機的新興產業。2 一種數字化小功率金鹵燈電子鎮流器的研究研究了一種新型的具有異常狀態自動保護和穩態燈功率閉環的小功率金鹵燈

19、電子鎮流器，分析其電路結構、工作原理和控制程序7。啟動階段采用并聯負載諧振電路，穩態階段采用半橋雙Buck電路。采用3次諧波諧振方式可以降低啟動電流，采用啟動電壓限幅值控制滑頻截止點可以克服元件參數離散性的影響。采用低頻方波方式可有效抑制穩態的聲諧振。仿真及實驗結果證明了該電路的有效性。2.1 拓撲結構、工作方式及控制策略圖3 主電路的拓補結構圖4 并聯負載諧振電路圖9示出設計的電子鎮流器的主電路拓撲結構8。其啟動階段及穩態工作階段分別采用半橋并聯負載諧振（Parallel Load Resonant，簡稱PLR）電路和半橋雙Buck電路。在金鹵燈啟動前，由于電弧管中填充的惰性氣體未電離，燈處

20、于高阻抗狀態，可近似認為是開路的。在啟動階段，圖1中的Relay斷開，開關管VQ1和VQ2加互補的高頻驅動信號。圖10示出PLR電路。并聯的諧振電容Cp和諧振電感L(L1和L2之和)在高頻交流電壓驅動下諧振，從而在Cp兩端產生高電壓。這時，諧振變換電路所加的驅動電壓為交流方波，幅值是直流母線電壓Ubus的50%。它的傅里葉級數展開式為： （1）PLR電路的固有諧振頻率為： （2）圖5 ur和逆變電路fc的關系圖11示出諧振電壓ur和逆變電路開關頻率fc的關系。從高頻向低頻，fc越接近fz，Cp上的諧振電壓ur的幅度越大。PLR電路的輸入電壓是富含奇次諧波的方波電壓。如果方波電壓的基波頻率高于電

21、路的fz，則設計時可只考慮基波而忽略高次諧波的影響；如果方波電壓的基波頻率低于電路的fz，則必須考慮高次諧波頻率的影響，諧波諧振可能成為ur的主要部分。本文采用3次ur諧振，有效減小了啟動時串聯電感中的電流，提高了功率電路的可靠性。此外，采用在諧振峰的右側從高向低滑頻，諧振電路工作在感性區，可實現VQ1，VQ2的零電壓開通，減少MOSFET的開關損耗。由于參數的離散性，設計的諧振峰（圖11的曲線2）可能向左（圖11的曲線3）或向右（圖11的曲線1）偏移。如果靠設定滑頻截止點控制啟動過程，當諧振峰向左偏移時，達到滑頻截止點時，ur可能仍然無法把燈點亮；當諧振峰向右偏移時，啟動過程可能滑過諧振峰，

22、產生過高的ur，損壞功率開關。所以，可通過設定啟動電壓ug限幅值控制滑頻的截止點。當滑頻產生的高壓達到電壓限幅值，即所需的高壓時，自動停止滑頻。燈點亮后，燈由原來的高阻特性轉變為低阻性。待燈弧穩定，燈功率達到設定值，圖9中的Relay閉合，采用的驅動信號變為具有高頻調制的低頻方波信號。此時，電路結構和工作模式具有明顯的對稱性，在低頻開關周期內具有Buck電路的工作特點，圖12示出半橋雙Buck電路結構。其燈電壓u0和燈電流io都是低頻方波信號，可有效抑制燈聲諧振現象。因為當小功率金鹵燈的伏安特性為阻性時，同時正負交替變化的方波uo和io使燈功率中沒有交流成分，從而不能激發聲諧振9。圖6 半橋雙

23、Buck電路設計的電子鎮流器以FREESCALE的8位單片機為控制核心，通過檢測燈端電壓uc和直流母線電流實現燈功率閉環控制和保護功能，當燈端出現開路、短路等異常狀態時鎮流器可進行自動保護。圖13示出控制程序框圖。啟動時，控制電路輸出互補的高頻方波信號控制 VQ1，VQ2的通斷，頻率從高向低滑動，uc逐漸升高，通過設定uc的限幅值來控制滑頻的截止點。當uc突然降落，并低于設定的判斷值時，說明燈弧管里的氣體電離，進入單頻暫態過渡；當燈功率達到設定值，說明燈已經點亮，滿足了切換條件；當Relay閉合時，電路從并聯負載諧振切換到半橋雙Buck電路結構，控制電路輸出具有高頻調制的低頻方波信號，并進行穩

24、態功率閉環控制。半橋雙Buck電路的輸入端是400V的Ubus，因此通過對母線電流的采樣就能實現對燈功率的近似控制。如果在過渡過程或穩態控制階段發生燈端開路或短路故障，則可自動封鎖功率電路輸出，進入延時保護狀態10。圖7 控制程序框圖2.2 仿真及實驗結果根據上述分析，并針對OSRAM的70W金鹵燈設計了電子鎮流器，進行了仿真和實驗驗證。圖8 不同狀態下的仿真和實驗結果若使無輔助電極的小功率金鹵燈啟動，脈沖幅度應在17kV以上。圖14a示出采用Pspice仿真得到的電子鎮流器啟動時的燈端電壓uc和電感電流iL仿真波形；圖14c示出用Tek-1389C示波器采集到的電子鎮流器啟動時的uc和iL實

25、驗波形。可見，采用的3次諧波滑頻點燈方式輸出的電壓幅值可達2.5kV，可以提供足夠的啟動電壓。圖14b示出采用Pspice仿真得到的穩態時的燈電壓uo和燈電流io仿真波形；圖14d示出用Tek-1389C示波器采集到的電子鎮流器穩態時的uo和io實驗波形。可見，uo和io均接近頻率為100Hz的低頻方波，此時燈端功率近似為恒定值，能保證金鹵燈的穩定工作，有效抑制了聲諧振現象。圖15示出穩態時MOSFET的驅動電壓信號ugVQ1和ugVQ2波形。ugVQ1和ugVQ2在一個低頻工作周期內都可分成高頻驅動和低頻封鎖兩個階段，并且這兩個狀態在VQ1和VQ2中交替出現。在前半個工作周期內，驅動VQ1高

26、頻開關工作，而VQ2處于封鎖狀態；在后半個工作周期內，驅動VQ2高頻開關工作，VQ1處于封鎖狀態。圖9 穩態是MOSFET的ugVQ1和ugVQ2波形 2.3 結論研究的70W小功率金鹵燈電子鎮流器具有異常狀態自動保護和穩態燈功率閉環控制。采用并聯負載諧振電路和啟動電壓幅值限制可克服元件參數離散性對啟動過程的影響，可保證燈可靠啟動。采用3次諧波諧振方式可降低啟動電流，提高可靠性。采用低頻方波方式可有效抑制燈穩態工作時的聲諧振。通過仿真驗證，設計的小功率金鹵燈電子鎮流器在啟動及穩態工作情況下均能滿足要求。結束語目前高強度汽車頭燈電子鎮流器系統是研究熱點之一。本文介紹了汽車頭燈的技術背景及其特殊優

27、勢，并給出了其電子鎮流器的基本電路結構。著重介紹了汽車頭燈的技術難點，包括了從啟動到運行的各個電路階段所存在的各種問題，并就此給出了解決這些難點的模擬和數字控制方案，并比較各自的優缺點。通過對汽車頭燈鎮流器的研究學習，了解了電子鎮流器的發展過程和其中的某些難點，例如現在，汽車頭燈電子鎮流器還存在的體積大，成本高，設計復雜等問題，現在較多的使用在高檔的汽車場合。所以，開發高性能、低成本的汽車頭燈電子鎮流器具有巨大的研究意義與實際價值，具有著相當好的應用前景。這也使我對未來汽車頭燈鎮流器的發展方向有了進一步的認識。參考文獻1 劉漢奎, 高琴, 王健強, 徐殿國具有自恢復功能的金屬鹵化物燈電子鎮流器的保護電路J電氣傳動，2004,21(10A)：139019002 盛章寶簡述熒光燈交流電子鎮流器可靠性和實施異常狀態保護J燈與照明，2002，03(11A):1