鄭會(huì)軍，周玉榮

（攀枝花學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，攀枝花 617000）

0 引言

HID燈的工作模式可分為暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)，從開始建立點(diǎn)火電壓激發(fā)燈管點(diǎn)亮，當(dāng)燈管進(jìn)入穩(wěn)定工作前的時(shí)間段稱為暫態(tài)；當(dāng)燈光進(jìn)入穩(wěn)定弧光放電階段稱為穩(wěn)態(tài)。燈從啟動(dòng)到進(jìn)入穩(wěn)態(tài)經(jīng)過六個(gè)階段：上電、點(diǎn)火、過渡、預(yù)熱、升壓和穩(wěn)定。本文將對(duì)穩(wěn)態(tài)階段的功率控制進(jìn)行分析和研究[1,2]。

HID燈進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，燈管等效電阻會(huì)因使用條件不同而有所差異，所以燈鎮(zhèn)流器所供應(yīng)的電源需符合燈管電阻變化的特性。傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制方法有恒電壓、恒電流和恒功率三種。恒電壓控制是反饋燈管電壓，并將其控制在一定范圍之內(nèi)，但隨著燈管使用時(shí)間增加，燈管功率將小于額定功率值，會(huì)造成燈管輸出流明數(shù)不足，燈的輸出功率減??；恒電流控制是對(duì)燈管進(jìn)行電流控制，同樣隨著燈管的老化，燈管自身消耗熱量增加，而發(fā)光亮度減小。恒功率控制是同時(shí)檢測燈管電壓和電流，將燈管功率消耗控制在一定值。但是隨著時(shí)間的推移，恒流和恒壓控制將使燈的發(fā)光度減小，恒功率控制也存在當(dāng)燈管老化，電阻增加時(shí)，燈管的發(fā)熱增加，同時(shí)也造成燈管的發(fā)光度降低。針對(duì)傳統(tǒng)控制方法存在的不足，本文提出用最大功率跟蹤的控制方法控制燈的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，最大功率跟蹤控制能確保HID燈始終發(fā)出最大的亮度[3～6]。

1 HID燈輸出功率特性曲線分析

下面對(duì)HID燈輸出功率和電壓進(jìn)行理論分析。

圖1電路是目前應(yīng)用比較廣泛的一種恒功率控制實(shí)現(xiàn)方式，TI公司生產(chǎn)的 HID燈專用控制芯片恒功率控制電路。我們對(duì)該電路進(jìn)行分析。在圖1中，KiI0是電流采樣反饋信號(hào)，KvU0是電壓采樣反饋信號(hào)，Ki和Kv分別是比例系數(shù)。

圖1 HID燈恒功率應(yīng)用電路

由圖1可得：

因此，流過R1、R2的電流I1、I2分別為：

因此有：

輸出功率為：

取Ki=1，Kv=10，Uref=3V,令R1/R2=X，則有：

這是一條以P0(W)為縱軸，U0(V)為橫軸的拋物線，如圖2所示。在拋物線頂點(diǎn)始終有：

圖2 HID燈功率曲線

從圖2中可以看出，電壓在V1→V2區(qū)間，只要控制輸出電壓的大小，將會(huì)使燈輸出近似恒定的功率。金鹵燈的額定工作電壓一般在85V左右，如果選擇適合的參考值α，就可以使燈正常工作時(shí)位于拋物線頂點(diǎn)附近?？梢哉J(rèn)為，輸出電壓在該區(qū)域內(nèi)變化時(shí)，輸出功率近似為恒定。該技術(shù)有很好的瞬態(tài)響應(yīng)性能，但是它要求燈管等效阻抗恒定，而實(shí)際上，燈管在工作一段時(shí)間后會(huì)逐漸老化，極間距離增大而引起等效阻抗增大，若采用該種控制方法，鎮(zhèn)流器輸出功率將發(fā)生偏差，不能輸出最大的恒定功率。另外，燈啟動(dòng)過程的控制也非常復(fù)雜，需要另外設(shè)計(jì)控制電路。顯然傳統(tǒng)的控制方存在一定的局限性。

2 一種新型的最大功率恒定控制方法

從以上分析可知，傳統(tǒng)的控制方法存在功率輸出偏差，在燈管老化后，燈阻值發(fā)生變化時(shí)，如果用恒定的電壓值控制其輸出功率，將始終使燈的功率輸出降低，為了克服燈的阻值發(fā)生變化時(shí)影響燈的輸出功率。我們提出了圖3的控制思想，其控制方法是：當(dāng)燈點(diǎn)火成功后，取燈的端電壓和電流，并計(jì)算出功率Pn-1，然后再增加開關(guān)管的占空比ΔD1計(jì)算出當(dāng)前功率Pn。比較Pn-1和Pn的大小可以判斷當(dāng)前的功率是不是最大功率，如果不是最大功率將判斷當(dāng)前功率比上次功率大還是小，將按照?qǐng)D3繼續(xù)比較，最終將確保開關(guān)管在一定的占空比時(shí)輸出最大的功率，該控制方法與燈管的老化無關(guān)，始終將確保HID燈輸出恒定的最大功率。該數(shù)字控制方法簡單和可靠。

圖3 最大恒功率控制流程圖

根據(jù)圖3的最大恒功率控制思想，按照?qǐng)D4控制電路原理圖進(jìn)行仿真分析，我們的仿真思路是：由于HID燈的阻值隨著時(shí)間推移在一定時(shí)間段發(fā)生變化時(shí)，燈的工作特性曲線將發(fā)生變化，通過圖3的控制方法能否確保HID燈輸出恒定的最大功率。在圖4中[7]，我們假設(shè)燈的阻值在(0～10) h、(10～25) h、(25～30) h時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化，圖6是其輸出功率的仿真波形。從圖6的仿真結(jié)果可知，燈的輸出最大功率能跟蹤其阻值的變化。因此，按照?qǐng)D3的控制思想能克服由于燈管阻值老化，燈的阻值變大造成其輸出功率減小問題。

圖4 HID燈仿真主電路

圖5 HID燈阻值變化曲線

圖6 HID燈功率跟蹤變化曲線

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)圖3的最大恒功率控制思想，對(duì)圖4HID燈電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為了實(shí)現(xiàn)圖3的控制算法，選用DSP(TMS320F2812)作為算法處理，并控制主電路的開關(guān)管PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)[8]。圖3中燈的額定功率為354W、額定電壓為65V，開關(guān)管選用MOSFET(IRF4905)，開關(guān)管頻率f=20KHz，全橋逆變電路上橋臂采用P-MOSFET(IRF4905)，下橋臂采用N-MOSFET(IRF3710)，圖7為最大恒功率測試波形。從圖7中可知，燈光的兩端電壓和電流是恒定的，沒有出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

圖7 HID燈負(fù)載電壓和電流測試波形

本文主要分析了HID燈傳統(tǒng)的恒功率控制存在的問題，提出了一種新型最大恒功率控制方法。該控制方法不隨燈管老化以及外界因素的變化而變化。始終輸出最大的功率。通過理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。本文的控制思想將為HID燈恒功率最大輸出提供一定的指導(dǎo)作用。

[1] 許建炳.低頻方波HID燈電子鎮(zhèn)流器關(guān)鍵技術(shù)研究[D].浙江大學(xué).2003.

[2] 張菡.汽車前照氙燈電子鎮(zhèn)流器研究與設(shè)計(jì)[D].西南交通大學(xué), 2008.

[3] Garcia-Garcia J, Cardesin J, Ribas J, Calleja A J,Corominas E L, Rico-Secades M, Alonso J M.New Control Strategy in a Square-Wave Inverter for Low Wattage Metal Halide Lamp Supply to Avoid Acoustic Resonances.IEEE Transactions on Power Electronics, 2006,21(1): 243-253.

[4] Jun Zhao, Miaosen Shen, Min Chen, and Zhaoming Qian.A Novel Low Frequency Square Wave Electronic Ballast for Low-Wattage HID Lamps.Proceeding of IEEE IAS,2003: 321-324.

[5] 陳傳虞.電子節(jié)能燈與電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)與制造[M].人民郵電出版社, 2009.

[6] 路秋生.高頻交流電子鎮(zhèn)流器技術(shù)與應(yīng)用[M].人民郵電出版社, 2004.

[7] 路秋生.常用電子鎮(zhèn)流器電路及應(yīng)用[M].人民郵電出版社, 2006.

[8] 蘇奎峰, 呂強(qiáng), 耿慶鋒.TMS320F2812原理與開發(fā)[M].北京: 電子工業(yè)出版.2005.