路秋生

(北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京100050)

1 HID燈電子鎮(zhèn)流器與有關(guān)照明市場

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表示目前市場上常用電光源的市場年復(fù)合增長率(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)品的市場年復(fù)合增長率(CAGR)

2 HID燈的工作過程

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。

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2 金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的典型工作原理框圖

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:

由 V總線=400 V，V燈=100 V，f=70 kHz，I燈=2.5 A，有

通過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MIGN的導(dǎo)通來觸發(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。

總線

圖3 Buck變換級(jí)和全橋變換級(jí)的電路工作原理框圖

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)通過外接(TIGN引腳)元器件的參數(shù)來決定點(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。

［1］Tom Ribarich，International Rectifier，EI Segundo，Calif，How to Design a 250 W HID Electronic Ballast，June 2010

［2］NXP Full Bridge control IC for HID lighting UBA2036/2037，March 2009 PPT

［3］Tan Hui，C2000 for High Intensity Discharge(HID)Lamp，C2000 Group，Texas Instruments PPT，2008

［4］Tom Ribarich，IR，Qiuck Control for high intensity HID Lamps，May 2010

［5］Tom Ribarich，IR，How to Control and Reap the benefits of HID Lamp，Power Electronics Technology July 2010

［6］IRS2573D HID ballast control IC，March 29，2010，Datasheet No-PD97477，www.irf.com

［7］2009-Datapoint Research APEC，PPT