汽車頭燈電子鎮(zhèn)流器

20世紀(jì)80年代，有精確尺寸的低功率小型石英金屬鹵化物燈在設(shè)計和生產(chǎn)兩方面都獲得了突破。同時，隨著人們生活及交往節(jié)奏的加快和高速公路的建成，要求不斷改善汽車夜間駕駛的安全性，為此需要有良好的前照燈視覺構(gòu)造，因此世界各國開始用小功率氙金屬鹵化物燈代替常規(guī)的鹵鎢燈作為汽車前照燈的光源。通過在燈中充入幾個大氣壓的高壓氙氣作為啟動氣體來滿足汽車前照燈瞬時發(fā)光的要求。目前，高強度汽車頭燈電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)是研究熱點之一，但是這種電子鎮(zhèn)流器設(shè)計復(fù)雜，價錢昂貴，且體積較大，只適用于高端汽車等應(yīng)用場合。顯然，若能減小其體積和成本，其需求量將大量上升，因此有著相當(dāng)好的應(yīng)用前景。

本文提出了模擬控制的汽車頭燈電子鎮(zhèn)流器，實現(xiàn)了用模擬電路來控制汽車頭燈從啟動到穩(wěn)定的各個控制任務(wù)，包括恒功率，點火控制等。

基本電路結(jié)構(gòu)

為了滿足燈在啟動與穩(wěn)態(tài)時的不同要求，目前，一般采用的汽車頭燈用電子鎮(zhèn)流器的基本電路結(jié)構(gòu)包含圖1所示的4部分功能。

(1)DC/DC升壓電路由于目前汽車使用的電源為12V鉛蓄電池，而燈管穩(wěn)態(tài)電壓約為85V，因此必須經(jīng)過一級升壓電路將電池電壓升高。

(2)高壓啟動電路由于燈點亮需要高壓脈沖才能使燈管擊穿開始放電，因此需要高壓啟動電路。啟動電路可采取一級或二級升壓的方式來產(chǎn)生至少23kV以上的高壓脈沖。

(3)DC/AC變換電路由于直流升壓電路的輸出為直流電，必須使用逆變電路將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)闊艄芩璧慕涣鞣讲娏?。逆變電路一般采用全橋逆變器。全橋逆變電路提供低頻交流方波電流給燈管，以避免聲諧振的發(fā)生。

(4)驅(qū)動與保護電路燈管啟動時控制啟動電路。燈管點亮后，檢測是否有過壓及短路發(fā)生。通過檢測燈電壓與燈電流的信號控制驅(qū)動電路和保護電路，使燈管能穩(wěn)定工作。

主電路拓撲的選擇

升壓變換器除了要滿足燈正常工作要求外，還必須考慮電路的空載輸出電壓能力?？蛰d輸出電壓的高低決定了ignior電路和takeover電路的設(shè)計。

(1)在眾多的電路拓撲中，Boost電路是最簡單的。當(dāng)開關(guān)S工作在很大的占空比時，可以得到高的輸出電壓。然而，在這種工作條件下，輸出二極管存在反向恢復(fù)問題，開關(guān)的電壓電流應(yīng)力高，損耗大。

(2)對于正激式變換器，雖然也可實現(xiàn)升壓的目的，但其空載輸出電壓能力不如反激式變換器。正激式變換器的變壓器不需要儲存能量，所以變壓器磁芯的尺寸可以很小，但為了輸出400V的電壓，必須增加次級繞組的匝數(shù)，因此需要大的窗口面積。所以過多的次級繞組會導(dǎo)致變壓器銅損的增加，對提高效率是不利的。

(3)采用Flyback變換器作為DC/DC級拓撲，通過附加點火繞組的方法，減小DC/DC級的開關(guān)應(yīng)力，增加了電路可靠性;如果采用數(shù)字控制可使電路工作于臨界連續(xù)狀態(tài)，可實現(xiàn)較多功能，從而降低電路成本。

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此外，還有許多汽車頭燈電子鎮(zhèn)流器的主電路拓撲綜合考慮了這些方法，一般選用圖2所示Flyback變換器加低頻全橋逆變電路作為主電路拓撲。

控制電路設(shè)計方案

燈的啟動問題是目前的一大熱點，因此對其控制方法的研究較多。通過控制系統(tǒng)的優(yōu)化，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度;縮短了燈的預(yù)熱時間，使燈能迅速進入弧光放電;減少了燈的電極損耗;延長了燈的壽命。

1采用模擬電路完成控制策略

圖3示出設(shè)計的一種低成本、簡單可行的模擬控制電路。它完全能在汽車頭燈從啟動到穩(wěn)定各個階段內(nèi)提供所需的各種控制功能。

2恒功率控制方案

由圖3可知，全橋逆變電路的總體負載只有燈消耗有功功率，因此燈消耗的功率可近似看作是逆變器的輸入功率。所以通過不斷采樣燈回路上的輸出電壓Uo和輸出電流Io，采用拋物線近似的恒功率控制方法，用模擬電路來實現(xiàn)可使控制精度達到±5%左右的恒功率控制。但是，汽車頭燈比較特殊，為了要滿足其在4s內(nèi)達到額定光輸出的80%這一特殊要求，一開始提供70W的瞬態(tài)功率給燈，而汽車頭燈的額定功率為35W。所以，在設(shè)計時需要兩個恒功率控制環(huán)，兩者的切換通過一個門電路來實現(xiàn)，圖4示出恒功率控制的電路結(jié)構(gòu)

3點火控制方案

點火方式采用脈沖式點火，電路采用倍壓整流電路。圖5示出點火控制電路。全橋逆變器輸出的正向電壓先把VD2導(dǎo)通，給電容C2充電;輸出的負電壓把VD1導(dǎo)通，給C1充電。當(dāng)每個電容都充電到400V時，可使800V的氣體放電管觸發(fā)導(dǎo)通，開始放電。這樣，當(dāng)變壓器初級產(chǎn)生800V脈沖時，次級就會產(chǎn)生上萬伏的高壓脈沖，從而將高強度的氣體放電管雪崩擊穿。

實驗結(jié)果

在前述原理分析和實現(xiàn)方案討論的基礎(chǔ)上進行了實驗論證。實驗樣機是額定功率為35W汽車頭燈電子鎮(zhèn)流器。升壓電路采用反激式電路，選用UC3843作為PWM控制芯片。主要電路參數(shù)有：反激式電路的MOSFET開關(guān)管選用的IRF540;二極管選用MUR860，變壓器的初級電感Lp=7.8µH，輸出電容選擇耐壓為630V的1µF的CBB電容。圖6b示出反激式變換器穩(wěn)態(tài)下開關(guān)管的驅(qū)動電壓UgVM和開關(guān)管漏源極兩端的電壓UdsVM實驗波形?？梢?，UdsVM有一個很大的尖峰，是漏感的能量所致。圖6c示出穩(wěn)態(tài)時兩端的電壓uo及其流過燈的電流io實際工作波形。由圖可見，燈兩端的輸出功率將近達35W，這與理論設(shè)計符合得很好。

研究了模擬控制汽車頭燈電子鎮(zhèn)流器的基本電路結(jié)構(gòu)，各電路拓撲的選擇。通過實際樣機的制作，論證了模擬電路可用來實現(xiàn)汽車頭燈從啟動到穩(wěn)定的復(fù)雜控制要求;說明了整個模擬控制汽車頭燈電子鎮(zhèn)流器電路設(shè)計的合理性。