金鹵燈鎮(zhèn)流器-MOS管應(yīng)用方案
金鹵燈結(jié)構(gòu)和工作原理

金屬鹵化物燈(以下簡(jiǎn)稱金鹵燈）是一種氣體放電燈，通過一個(gè)產(chǎn)生光電弧通過氣化的氣體混合物的汞和金屬鹵化物 (具有金屬的化合物的溴或碘)。它是一種類型的高強(qiáng)度放電(HID)氣體放電燈。在20世紀(jì)60年代開發(fā)的，它們類似于汞蒸氣燈，但包含在附加的金屬鹵化物石英弧光管，其提高了效率和色彩還原的光。最常用的金屬鹵化物是碘化鈉。一旦電弧管到達(dá)其運(yùn)行溫度時(shí)，鈉從碘離解，添加橙色和紅色從鈉D線的燈的光譜作為金屬電離。其結(jié)果是，金鹵燈具有較高的發(fā)光效率每瓦左右75-100流明，是汞的兩倍左右蒸氣燈和3至5倍的白熾燈，并產(chǎn)生強(qiáng)烈的白色光。燈泡壽命為6000至15000小時(shí)。由于采用的最有效的來源之一CRI白光，金屬鹵化物在2005年進(jìn)行了照明行業(yè)中增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域。它們用于廣區(qū)頂部照明商業(yè)，工業(yè)和公共場(chǎng)所，如停車場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，工廠和零售商店，以及住宅的安全照明和汽車前大燈(氙氣大燈)。

該燈由一小的熔融石英或陶瓷 電弧管，其中包含的氣體和電弧，封閉其具有一涂層，以篩選出一個(gè)較大的玻璃燈泡內(nèi)的紫外光產(chǎn)生的。它們?cè)谥g的壓力下操作圖4和20個(gè)大氣壓，以及需要特殊的夾具安全地操作，以及電鎮(zhèn)流器。金屬原子產(chǎn)生大部分的光輸出。他們需要幾分鐘的預(yù)熱期達(dá)到全光輸出。

由于高CRI白光的最有效的來源之一，金屬鹵化物在2005年是照明行業(yè)中增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域。它們用于廣域頂燈商業(yè)，工業(yè)和公共場(chǎng)所，如停車場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，工廠和零售商店，以及小區(qū)保安照明和汽車前大燈(氙氣大燈) 。圖示出在385nm，422nm，497nm，540nm處，564nm，583nm(最高)，630nm的，和674nm峰值的典型的金鹵燈的輸出光譜。

金鹵燈鎮(zhèn)流器

電子鎮(zhèn)流器35W金鹵燈泡電弧中的金鹵燈，在所有氣體放電燈具有負(fù)電阻特性; 也就是說，只要通過燈泡的電流增加時(shí)，電壓兩端減小。如果燈泡是從一個(gè)恒壓源供電，如直接從交流布線，電流將增加，直到燈泡破壞本身; 因此，鹵化物燈泡需要電鎮(zhèn)流器限制電弧的電流。

有兩種類型：

電感鎮(zhèn)流器 -許多裝置使用一個(gè)電感鎮(zhèn)流器，也被稱為磁鎮(zhèn)流器，類似于那些與所用的熒光燈。這包括一個(gè)鐵芯的電感器。電感器提供了一個(gè)阻抗AC電流。如果通過燈的電流增加，電感減少，以保持電流受限的電壓。電子鎮(zhèn)流器 -這些更輕，更緊湊。它們由一個(gè)的電子振蕩器，其產(chǎn)生高頻電流以驅(qū)動(dòng)燈。因?yàn)樗麄冇斜入姼墟?zhèn)流器低電阻損失，他們是更節(jié)能。然而，高頻率操作不增加燈效率作為熒光燈。

脈沖啟動(dòng)的金鹵燈泡不包含起始電極，它撞擊弧，并且需要的點(diǎn)火器，以產(chǎn)生一個(gè)高電壓(1-5千伏冷擊，用在熱重燃30千伏)脈沖來啟動(dòng)弧。電子鎮(zhèn)流器包括在一個(gè)包中的點(diǎn)火器電路。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ANSI)的燈鎮(zhèn)流器系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)建立的所有的金屬鹵化物組分的參數(shù)(與一些較新的產(chǎn)品除外)。

自鎮(zhèn)流燈截至2012年，有幾家公司已經(jīng)開始提供自鎮(zhèn)流金鹵燈直接取代白熾燈和自鎮(zhèn)流水銀燈。這些燈包括具有起動(dòng)電極的電弧管，以及一個(gè)管狀的鹵素?zé)簦溥B接在串聯(lián)和用于調(diào)節(jié)在弧光管的電流。電阻提供限制的起始電極的電流。像自鎮(zhèn)流汞汽燈，自鎮(zhèn)流金鹵燈直接連接到主電源，并且不需要外部鎮(zhèn)流器。與此相反的前，這些燈通常具有明確的外部燈泡沒有涂層，使得在電弧管和鹵素?zé)艄茱@然從外部可見的。

色溫

由于所產(chǎn)生的更白，更自然光，金鹵燈最初首選的藍(lán)色水銀燈。隨著引進(jìn)專業(yè)化金屬鹵化物混合物，金鹵燈，現(xiàn)已與相關(guān)色溫從3000 K至20000 K.色溫可以從燈稍有變化，以燈，并且這種作用是明顯的地方有許多的燈被使用。因?yàn)闊舻纳侍匦在呄驘舻膲勖陂g改變，根據(jù)燈泡已被燒毀，100小時(shí)(調(diào)味)之后的顏色被測(cè)量的ANSI標(biāo)準(zhǔn)。較新的金屬鹵化物的技術(shù)，被稱為“脈沖啟動(dòng)”，具有改善的顯色性和更可控的開爾文方差(±100至200開爾文)。

金鹵燈的色溫也可以通過電氣系統(tǒng)的供電在燈泡本身的燈泡和制造差異的電特性的影響。如果一個(gè)金鹵燈泡是因?yàn)檩^低的動(dòng)力不足，操作溫度，其光輸出將是因?yàn)楣膯为?dú)的蒸發(fā)的藍(lán)色。這種現(xiàn)象可以升溫期間中可以看出，當(dāng)弧光管尚未達(dá)到整個(gè)工作溫度和鹵化物還沒有完全蒸發(fā)。它也與調(diào)光鎮(zhèn)流器非常明顯的。逆是真實(shí)的一個(gè)燈泡過于強(qiáng)大，但是，這個(gè)條件可能是危險(xiǎn)的，可能導(dǎo)致電弧管爆炸，因?yàn)檫^熱和過壓。

啟動(dòng)和預(yù)熱

通電后，400瓦金鹵燈不久“冷”(下操作溫度)的金鹵燈不能立即開始產(chǎn)生其充分的光量，因?yàn)樵趦?nèi)側(cè)弧室中的溫度和壓力所需要的時(shí)間來達(dá)到完全的操作水平。啟動(dòng)初始?xì)寤『?或氙汽車)有時(shí)需要幾秒鐘，(取決于燈泡類型)的預(yù)熱期可長(zhǎng)達(dá)五分鐘。在此期間，該燈顯示出不同顏色的各種金屬鹵化物在電弧室汽化。

如果電源中斷，甚至簡(jiǎn)單地說，在燈的電弧熄滅，而存在于熱發(fā)光管的高壓力將防止再起弧的弧;與正常的點(diǎn)火器的5-10分鐘冷卻期將要求可重新啟動(dòng)燈之前，但具有特殊點(diǎn)火器而特別設(shè)計(jì)的燈，電弧可以立即重新建立。在沒有瞬間重燃能力燈具，電源的瞬間損失可能意味著沒有光線幾分鐘。為安全起見，許多金鹵燈具有冷卻和再起弧期間工作備份鹵鎢燈的白熾燈。一旦金屬鹵化物restrikes和升溫，白熾燈光安全關(guān)閉。溫暖的燈也往往需要更多的時(shí)間比開始徹底的涼了一盞燈充分發(fā)揮其亮度。所有的HID電弧管強(qiáng)度降低了他們的一生，因?yàn)楦鞣N因素，如化學(xué)腐蝕，熱應(yīng)力和機(jī)械振動(dòng)。隨著燈的老化電弧管變色，吸收光線和越來越熱。管將繼續(xù)成為弱直到它最終失敗，從而導(dǎo)致管的破裂。

盡管這樣的失敗與壽命的結(jié)束相關(guān)聯(lián)，電弧管可以在任何時(shí)候會(huì)失敗，因?yàn)榭床灰娭圃烊毕萑顼@微裂紋的甚至是新的時(shí)候，。然而，這是相當(dāng)少見的。制造商通?！巴尽钡男聼魴z查這些缺陷燈離開制造商的房舍之前。由于金鹵燈含有一顯著高壓氣體(最多至50psi)，電弧管的失敗是不可避免暴力事件。電弧管的片段被發(fā)射，以極高的速度，在所有方向上，引人注目的有足夠的力在燈的外燈泡以使其斷裂。如果燈具沒有二級(jí)防護(hù)(如鏡頭，碗或屏蔽)，那么碎片極熱片會(huì)掉下來砸到人員和財(cái)產(chǎn)的光線之下，有可能造成嚴(yán)重傷害，損壞，并可能造成重大建筑火災(zāi)如果易燃物質(zhì)存在。

金鹵燈鎮(zhèn)流器原理圖

為了確保金鹵燈不出現(xiàn)聲諧振，電子鎮(zhèn)流器一般工作于低頻方波狀態(tài)。傳統(tǒng)的低頻方波電子鎮(zhèn)流器包括3級(jí)結(jié)構(gòu)：功率因數(shù)校正電路、降壓電路和全橋逆變電路。這種結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜而且造成了鎮(zhèn)流器的成本昂貴。簡(jiǎn)化電路、降低成本已經(jīng)成為如今研究的重點(diǎn)。一種方法就是把前兩級(jí)功率因數(shù)校正和降壓電路組成一級(jí)。這種方法可以減小鎮(zhèn)流器的體積，但是可能伴隨帶來的問題就是降低了功率因數(shù)校正電路的表現(xiàn)，增加了開關(guān)器件的應(yīng)力等不利因素。另一種方法就是把降壓電路和逆變電路組合在一起。這種方法可以降低鎮(zhèn)流器的體積和成本，但是控制方法可能相對(duì)復(fù)雜。

組合降壓電路和半橋逆變電路在一起的方案是現(xiàn)在比較流行而且可行的方法。因?yàn)檫@種方式的電路相對(duì)最為簡(jiǎn)單，成本最低。為了促進(jìn)這種方案的廣泛應(yīng)用，簡(jiǎn)化它的控制方法，克服這種電路的缺點(diǎn)，提高它的可靠性就成為研究的重點(diǎn)。

本文對(duì)此種電路提出了一種新型控制方法，并且提出一種簡(jiǎn)單有效的方法克服此電路在輸出電流換向時(shí)發(fā)生的電流過沖問題，降低了波峰系數(shù)。

1 電路描述

電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.電路工作模態(tài)的分析

S1、S2的門極信號(hào)如圖2所示。當(dāng)S1工作于高頻狀態(tài)時(shí)，S2被斷開。此時(shí)，電路等效于一個(gè)Buck電路，S1相當(dāng)于主功率開關(guān)，而S2的體二極管相當(dāng)于Buck的二極管。兩個(gè)開關(guān)管的工作狀態(tài)會(huì)以400Hz的一個(gè)頻率交替變化。這樣，就可以得到一個(gè)低頻的方波電流輸出供給燈。

二極管關(guān)斷時(shí)存在一個(gè)反向恢復(fù)問題，這會(huì)大大增加器件的開關(guān)損耗。為了避免這種情況的發(fā)生，我們讓電路工作在電流斷續(xù)狀態(tài)下。圖3是逆變級(jí)Buck電感電流的狀態(tài)示意圖。

當(dāng)S1工作于高頻狀態(tài)而S2斷開時(shí)，電路工作于3種工作模式。

1.模式1

S1開通，電流流過C1、S1、Rs、燈、點(diǎn)火電感和Lc圖4是這種模式的等效電路圖。其中點(diǎn)火電感的電感量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電感L的電感量，假設(shè)電容C上的電壓在每個(gè)開關(guān)周期中保持不變，電感L上的電壓VL為

S1斷開，由于電感電流不能突變，電流流過Rs、燈、點(diǎn)火電感、L、C2和D2o。圖5是此種模式的等效電路圖。電感L的電壓為

S1仍然處于斷開狀態(tài)。但是電感￡的電流降為零。此時(shí)，電容C給燈提供能量，電流流過C、Rs、燈和點(diǎn)火電感。圖6是此種工作模式的等效電路圖。假設(shè)電容足夠大，電容上的電壓保持不變，我們能夠從式(1)、式(2)中得到輸出的燈電壓為（插圖）

式中：系數(shù)k1與電感電流下降時(shí)間有關(guān)，在圖3中有著明確的表示。

當(dāng)S1斷開，S2工作于高頻開關(guān)狀態(tài)時(shí)，電路的工作過程基本上和上面的分析一致。

根據(jù)上面的分析，在每半個(gè)低頻周期內(nèi)半橋逆變電路可以等效為一個(gè)Buck降壓電路。從而一個(gè)半橋逆變電路既可以提供給燈一個(gè)合適的T作電壓又能使燈工作于低頻方波狀態(tài)。

1.2 閉環(huán)控制

因?yàn)榻瘥u燈的負(fù)阻特性，為此我們控制鎮(zhèn)流器的輸出呈現(xiàn)為電流源的特性，以保證燈的穩(wěn)定工作。圖7是半橋電路的控制方法框圖。通過Rs采樣燈電流。采樣電阻Rs上的電壓是一個(gè)低頻的方波信號(hào)。首先通過運(yùn)放l把這個(gè)信號(hào)放大，然后經(jīng)過一個(gè)整流電路把這個(gè)交流的方波信號(hào)整流成直流，再經(jīng)過RC濾波后進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)輸出為一個(gè)恒流源?？梢娺@種控制方法等效于DC/DC的控制方法，簡(jiǎn)單且有效。（插圖）

1.3 電流過沖

但是，這個(gè)電路存在一個(gè)嚴(yán)重問題就是在每個(gè)輸出電流換向的瞬間會(huì)有很大的電流過沖。這樣的尖峰電流會(huì)大大降低燈的使用壽命。本文提出了一種簡(jiǎn)單有效的方法克服這個(gè)問題。

圖8是半橋驅(qū)動(dòng)門極信號(hào)的產(chǎn)生電路，其中的D觸發(fā)器、兩個(gè)與門和兩個(gè)或非門組合在一起用來減小驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比。而這個(gè)功能由控制腳(CP)來控制，當(dāng)CP為高時(shí)，驅(qū)動(dòng)的占空比就可以減小為大約原來的一半。這樣我們就可以在每個(gè)輸出電流換向的瞬間給CP一個(gè)高電平，減小驅(qū)動(dòng)的占空比，以大大減小甚至消除過沖電流。圖9為一個(gè)簡(jiǎn)單CP控制信號(hào)的產(chǎn)牛電路。圖7為腳CP信號(hào)與低頻逆變信號(hào)的時(shí)序圖。（插圖）

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用上述控制方法的一個(gè)70W金鹵燈電子鎮(zhèn)流器樣機(jī)已經(jīng)完成。電路主要參數(shù)如下。

L="380" μH;

C=1μF;

Vo="200V";

fh="100" kHz;

f1=400Hz。

其中：fh為半橋電路驅(qū)動(dòng)的高頻和低頻頻率;

f1為半橋電路驅(qū)動(dòng)的低頻頻率。

圖11顯示了輸出電流換向時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的變化。圖12為輸出電流換向時(shí)電感電流的變化，可以看到電流的過沖相當(dāng)小。圖13為點(diǎn)火脈沖，由于點(diǎn)火是在低頻情況下進(jìn)行，所以點(diǎn)火成功率很高。圖14為燈正常工作時(shí)的電流和電壓波形，可以看出燈電流基本沒有電流過沖的情況發(fā)生。整機(jī)效率約為90%，波峰系數(shù)為1.1。（插圖）

金鹵燈鎮(zhèn)流器-MOS管應(yīng)用方案

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