论文导读：：金属卤化物灯作为一种高强度气体放电灯，它具有显色性好，发光效率高，寿命长等显著优点，是优质的节能电光源。本文提出了一种基于单片机控制的三级式恒功率金卤灯电子镇流器，并研制了70W金卤灯电子镇流器的样品，测试结果显示这种镇流器可实现恒功率控制和抑制声谐振现象，达到了设计指标要求。

　　论文关键词：声谐振，恒功率，电子镇流器，金属卤化物灯（MHL），低频方波

　　0.引言

　　金属卤化物灯（MHL）作为绿色照明光源中高压气体放电灯（HID）的典型代表，具备高光效、显色性好、功率高、寿命长等优点而被称为最理想的光源，其广泛应用各种场合，如汽车前灯、放映机灯等[1]。

　　金卤灯作为一种气体放电灯，其具有负阻特性，所以必须使用镇流器来适应灯阻抗的变化。同时，金卤灯在高频工作时又极易发生声谐振现象。对此，本文提出了一种基于单片机控制的数字式三级式恒功率金卤灯电子镇流器。采用全桥电路将直流电转换为低频方波电给金卤灯供电以

　　避免声谐振现象发生，同时采用单片机数字控制研究方向电力电子技术与电力传动方案，灵活控制镇流器的启动和稳态运行，实　　现对电子镇流器的各种保护和状态控制并进行理论分析和电路设计。

　　1.镇流器基本拓扑结构

　　低频方波驱动MHL方案[2]应用最为广泛的是三级式电子镇流器，其因具有可靠性高、功率因数高、谐波含量低、适合各种功率的金卤灯等优点而在工业界得到广泛运用。三级式电子镇流器的基本构成如图1所示，第一级功率因数校正电路通常采用Boost APFC电路，在减小电流谐波提高功率因数的同时，为之后的功率控制级电路提供恒定直流母线电压；第二级功率控制级采用Buck降压电路实现灯的恒功率控制；第三级即为全桥逆变电路，其输出低频方波来驱动金卤灯。在本设计中，当金卤灯进入稳态运行低频方波，全桥输出153Hz的低频方波，这样可以很好地避免声谐振现象。

　　恒功率

　　图1 三级式电子镇流器拓扑结构

　　2.各级电路结构设计

　　2.1 整流环节与EMI滤波

　　产品化的电子镇流器输入通常都为标准交流电输入，而为了实现低频方波驱动MHL，同时实现恒功率控制，希望输入为恒定电压，所以需要对输入进行变流，一般采用不控的全桥整流。

　　电子镇流器与外部电网之间可能存在相互干扰，所以需要用EMI滤波器来消除两者间的相互干扰。由于在两系统接口处各种干扰最为严重，故EMI滤波器应放在镇流器输入接口处[3]论文开题报告范文。一般采用交流线路EMI滤波器，可以有效地抑制差模与共模噪声。

　　2.2 临界导通模式的Boost APFC电路设计

　　临界导通工作模式（CRM）也称为边界导通模式（BCM），其优点是电路简单、成本较低，适用于中小功率要求高效率的电子镇流器[4]。CRM模式下Boost APFC电路[5]如图2所示：S1为整流后直流电压采样信号，S2为APFC输出电压与参考电压Vref比较后得到的误差信号，将S1与S2相乘得到一个电流基准参考信号，将这个信号与开关电流iS（即电感电流iL）相比较来产生开关管的驱动信号，最终实现开关电流iS包络跟踪全波整流后电压VDC波形，波形如图3所示。

　　恒功率此APFC级功率电路用来修正输入电压与电流波形相位，以提高镇流器的功率因数，同时采用Boost升压输出电路的形式，输出为恒定电压，本文中设计为400V[6].

　　图2 CRM模式Boost APFC电路结构

　　恒功率

　　图3 CRM模式Boost APFC电路关键波形图

　　2.3 Buck功率控制电路

　　Buck功率控制电路主要是实现金卤灯的稳态控制，主要是恒功率控制。

　　Buck电路的输出功率是通过Buck电路中开关管的开关占空比来控制的。而开关管占空比是通过反馈控制信号与参考信号比较来获得的。如图4，通过将Buck开关管上电流反馈信号与Buck输出电压反馈信号相加作为输出功率采样信号，并将其与功率基准参考信号VREF相比较的结果作为功率开关的的驱动信号，从而实现Buck电路的恒功率输出，适当选取电压、电流信号的反馈增益，就可以保证Buck电路的恒功率输出为金卤灯的额定功率[7]。

　　图4 恒功率控制电路示意图

　　2.4 全桥及点火电路

　　全桥控制采用两个半桥驱动器IR2103来分别驱动全桥的一对上、下桥臂，一个半桥驱动电路结构如图5。

　　金卤灯是一种气体放电灯，在启动时需要一个高压脉冲触发[8]，使得灯管内的气体击穿放电，该电压应当不低于灯管的最低启动电压[9]，同时，该电压也不能太高，点火电压太高一方面会增加对阴极的溅射，另一方面也会对电路其他器件的可靠性造成影响。金属卤化物灯电子镇流器的启动电路必须能够提供很高的启动电压击穿弧隙产生电弧低频方波，并且应该具有在起弧后自动关闭的功能。一种新型脉冲点火电路如图6所示。

　　图5 IR2103控制的半桥驱动电路结构

　　图6 点火电路结构

　　当灯启动前，全桥的输出电压比双向可控硅Dig的崩溃电压要高，Dig击穿构成通路，形成上升幅度较大的脉冲电流，因互感效应使变压器副边产生高压以点亮金卤灯，同时由于电容Cig充电电压上升，使通过Dig的电流逐渐减小，直到关断，此时电容两端电压因充电反向，为全桥电路电压反向时点火启动提供点火高压。金卤灯启动后阻值很小，变压器副边形成通路，副边电压较小，使得原边电压低于Dig的崩溃电压因此Dig处于关断状态，不会再产生高压，电路能够稳定工作。其中L1、L2起到抗高压的作用，都取0.1mH；Cig取0.22μF/630V；Dig取崩溃电压为300V的双向触发管。

　　3.单片机控制电路及程序流程设计

　　单片机控制与保护电路的功能主要是完成金卤灯的启动控制及实现金卤灯稳定工作时的监测和保护，确保整个系统的正常运行。金卤灯启动过程比较复杂，为了简化控制，采用分段匹配金卤灯负载特性的线性控制策略，将整个启动过程分为高压触发、过渡阶段、恒功率运行三个状态[10][11]。

　　软件程序流程是基于金卤灯自身的特性，在点火之前金卤灯处于高阻状态，需要一个高压触发，点火成功后，金卤灯两端电压瞬间下降到较低水平并维持一段时间，接着电压升高直至其稳态工作电压。若点火成功，则点火电路中Dig处于关断状态，变压器原边这路不再工作。Buck输出经全桥逆变后直接加在变压器副边那路，认为Buck输出电压就和金卤灯两端电压几乎相等。故可以通过检测Buck输出电压的变化来精确判断点火是否成功，具体控制策略如下：高压触发阶段Buck电路工作于Burst-mode工作方式，也即使Buck电路保持一个稳定的空载输出高电压，这个电压一般由前面的APFC电路决定，本设计中为400V。由于开机后这个电压的建立需要一段时间，所以需要单片机进行检测，当检测到Buck电路输出电压低于350V，可认为电路故障低频方波，系统进入待机状态；当检测到其大于350V时，即可由单片机控制全桥芯片IR2103产生驱动方波，驱动频率从120Hz递增，步长2Hz，上限150Hz，全桥输出对金卤灯进行点火。金卤灯点火成功后会进入一个约100秒左右的过渡阶段，过渡阶段可分为两个阶段，第一个阶段为低压维持阶段，灯两端电压维持在一个较低的水平，第二个阶段灯两端电压开始升高直至其稳态工作电压论文开题报告范文。所以在开始产生全桥驱动脉冲后，同时检测Buck输出电压，若电压小于某一设定值，则可认为点火成功，降低全桥工作频率以减少其输出方波中脉冲尖峰的干扰。当Buck输出电压开始上升直至设定值时，则再次改变全桥工作频率为灯稳定工作时的频率，使之输出为153Hz的恒频方波，电路进入恒功率控制阶段 ，并不断对电路进行监控保护。

　　镇流器工作中若出现没有接金卤灯或者灯坏掉的情况，会出现不停的点火现象；另外当金卤灯过热时，其所需启动电压会升至万伏以上，此时镇流器输出的高压脉冲不足以点亮金卤灯，也会出现不断点火的现象。长时间过高的电压脉冲对电子镇流器和灯都有危险。为了保护电路的安全，必须避免这种情况的发生。若点火不成功的话，可判断电子镇流器是否开路、灯出现故障或者灯管过热。若是灯管过热，延迟一段时间后，等到灯管冷却下来再进行点火，如此反复15次，若点火仍不成功；则可判断电子镇流器处于开路状态或灯出现故障，则单片机发出控制信号使电子镇流器停止工作以等待维修。此外，工作时还要通过温度传感器检测整个系统，若系统温度过高，超过某一设定值，则单片机控制Buck、全桥停止工作，只有当系统温度再次低于一定温度时电路才重新工作。

　　4.实验结果及分析

　　根据以上的分析设计，制作了70W三级式恒功率金卤灯电子镇流器的原型低频方波，该电子镇流器的设计要求如下：输入范围：170~250VAC/50Hz，工作电压变化之下，输出电压变化小于±2%；功率因数PF>0.95；电流总谐波（THD）值＜15%；输出功率：70~76W；Buck电路开关频率：50kHz左右；点火电压脉冲>3kV。

　　图9 稳态Buck电路MOS管驱动信号

　　图8 稳态后MHL两端电压采样波形

　　在金卤灯成功点亮进入稳态后，测试金卤灯两端电压为约91V，如图8（经分压器采样得到），金卤灯在进入稳态运行后其等效电阻约115Ω，则电路输出功率为91*91/115=72W，符合设计要求；使用调压器调节输入使其在170~250VAC间变化，分别测试稳态时金卤灯两端电压，测试结果显示其始终维持在91V，电压变化率远远小于2%；从图9的波形中可以看出Buck电路开关频率为

　　1/20μs=50KHz,符合设计要求。

　　5.总结

　　提出一种基于单片机控制的三级式恒功率金卤灯电子镇流器，采用单片机直接控制Buck电路的PWM占空比，采用电压电流双重反馈控制实现恒功率和恒流控制，改善金卤灯的启动控制，延长灯寿命。由于采用一块数字控制芯片通过编程就能够完成各项功能，因此电路结构更为简单，集成度更高，可靠性也可以相应地得到提高，符合现代高质量的照明要求，有着较好的市场前景。

　　参考文献：

　　[1]林国庆，林梅珍，陈和平，等。一种金卤灯用电子镇