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采用超高頻點燈克服金鹵燈聲諧振問題的電子鎮(zhèn)流器研究
摘要：采用超高頻點燈的電子鎮(zhèn)流器可以有效地克服高強度氣體放電燈尤其是金鹵燈所固有的聲諧振問題。提出了一套設(shè)計負(fù)載電路參數(shù)的方案。合理地選擇電路參數(shù)，使其在諧振方式下工作，可以有效地降低電路損耗。關(guān)鍵詞：超高頻；電子鎮(zhèn)流器；高強度氣體放電燈；聲諧振
引言
電子鎮(zhèn)流器相對于傳統(tǒng)的電感式鎮(zhèn)流器，具有工作電壓范圍寬、體積小、重量輕、無頻閃、無噪聲、效率高等眾多優(yōu)點，在熒光燈領(lǐng)域已經(jīng)得到了成功應(yīng)用。但是，對于高強度氣體放電燈，尤其是金屬鹵化物燈，由于其在高頻工作方式下存在聲諧振的問題，因此到目前為止依然難以得到大規(guī)模的推廣應(yīng)用。
針對聲諧振的問題，眾多學(xué)者進行了深入的研究，提出了一些解決的方案，主要有：低頻方波點燈方案；燈電流燈電壓反饋控制方案；掃頻控制與超高頻點燈方案。目前比較成熟可靠的是低頻方波點燈電子鎮(zhèn)流器，在道路照明或汽車頭燈領(lǐng)域的金鹵燈電子鎮(zhèn)流器大都采用這一控制方式；它的特點是逆變級工作頻率在幾百Hz，避開了聲諧振頻率的下限值。
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由于低頻方波電子鎮(zhèn)流器往往采用三級電路，同時逆變級為全橋結(jié)構(gòu)，因而成本高，體積大，容易產(chǎn)生噪聲問題。
如果將逆變級的工作頻率提高到聲諧振上限頻率之上，也可以有效地避免聲諧振的問題。對于功率較高、電弧管尺寸較大的HID燈，一般認(rèn)為工作頻率在150kHz以上就可以避免聲諧振的發(fā)生；對于小功率、電弧管尺寸小的HID燈，上限頻率要提高到幾百kHz才行。
當(dāng)逆變級工作頻率為幾百kHz時，可使無源元件體積減小、成本降低、而且可以避免音頻噪聲。合理設(shè)計電路的工作點，采用軟開關(guān)方式，可以克服高頻工作時的EMI干擾與損耗的問題。
本文提出了一種設(shè)計超高頻金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的方法，給出了其仿真波形。樣機試驗結(jié)果表明超高頻工作方式可以成功地解決金鹵燈聲諧振的問題。
1 參數(shù)計算
大功率電子鎮(zhèn)流器一般都包括PFC級與逆變級兩級電路。經(jīng)過功率因數(shù)校正級后，入端功率因數(shù)可達0.99以上，同時使后級直流母線電壓維持在400V。
逆變級采用半橋電路，如圖1所示，其中Igniter為脈沖點火器。
如果電容C很大，可以將其視為僅起隔直作用。圖2是當(dāng)L=32μH，C=1μF時，用Pspice仿真得到的開關(guān)管電壓波形與負(fù)載電流波形�？梢钥闯觯_關(guān)管在負(fù)載電流最大時關(guān)斷，這時關(guān)斷損耗最大。在300kHz的工作頻率下，MOS管會產(chǎn)生很大的開關(guān)損耗。
合理地選擇LCR電路的Q值與工作頻率，使其在串聯(lián)諧振方式下工作，可以有效地減小高頻開關(guān)損耗，改善開關(guān)波形，進而降低EMI噪聲。
LCR串聯(lián)諧振電路參數(shù)設(shè)計如下。
LC諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Q，電路工作頻率fw，特征頻率fo，金鹵燈等效電阻R，等效負(fù)載電路如圖3所示。
LCR等效導(dǎo)納Y(ω)為
燈電壓UL為
式中：U1為加在LCR兩端方波電壓的基波有效值，
對于半橋U1=Ud對于全橋U1=Ud設(shè)定Q值，由式（1），式（2），式（3）和式（4）可以確定L與C的值。
2 仿真結(jié)果
將諧振電路的Q值設(shè)為2.5，逆變級工作頻率為250kHz，由此計算得到的LCR諧振參數(shù)如下：
燈電感L119μH；
燈電容C5nF。
圖4是開關(guān)管電壓與燈電流的Pspice仿真波形。由圖4可以看出開關(guān)管在燈電流過峰值開始下降后關(guān)斷。
3 實驗結(jié)果
樣機的參數(shù)如下：
工作頻率250kHz；
燈電感L110μH；
燈電容C5nF；
圖5給出了燈電壓波形，由于高頻下金鹵燈近似為一純電阻，所以電流波形與電壓波形相同。由圖5中可以看出，開關(guān)管是在電流波形有缺口處，即在電流過峰值開始下降后關(guān)斷。在此情況下，MOS管的開關(guān)損耗大為降低。
圖6是將時間軸放長后的燈電流波形，將其與聲諧振發(fā)生時的燈電流波形圖7比較，可以看出：燈電流穩(wěn)定，沒有低頻抖動；圖8給出的燈電弧的照片也表明燈電弧是穩(wěn)定的。
4 討論
逆變級工作頻率在幾百kHz時，開關(guān)損耗與磁性元件損耗都大為增加，需要合理設(shè)計參數(shù)與驅(qū)動電路，選擇性能更優(yōu)良的磁性材料。諧振方式下，電容的兩端電壓隨Q值增加而增大；同時，Q值過高容易使鎮(zhèn)流器的功率偏差增大。
目前的逆變級采用開環(huán)方式，可以采用控制FPC輸出直流電流的方式來實現(xiàn)功率的閉環(huán)控制。
5 結(jié)語
采用超高頻點燈的電子鎮(zhèn)流器可以有效地克服高強度氣體放電燈，尤其是金鹵燈所固有的聲諧振問題。本文提出了一套設(shè)計負(fù)載電路參數(shù)的方案。合理地選擇電路參數(shù)，使其在諧振方式下工作，可以有效地降低電路損耗。
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