汽車(chē)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(jì)和生產(chǎn)兩方面都獲得了突破。同時(shí)，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(chē)夜間駕駛的安全性，為此需要有良好的前照燈視覺(jué)構(gòu)造，因此世界各國(guó)開(kāi)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(chē)前照燈的光源。通過(guò)在燈中充入幾個(gè)大氣壓的高壓氙氣作為啟動(dòng)氣體來(lái)滿(mǎn)足汽車(chē)前照燈瞬時(shí)發(fā)光的要求。目前，高強(qiáng)度汽車(chē)頭燈電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)是研究熱點(diǎn)之一，但是這種電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)復(fù)雜，價(jià)錢(qián)昂貴，且體積較大，只適用于高端汽車(chē)等應(yīng)用場(chǎng)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(chē)頭燈電子鎮(zhèn)流器，實(shí)現(xiàn)了用模擬電路來(lái)控制汽車(chē)頭燈從啟動(dòng)到穩(wěn)定的各個(gè)控制任務(wù)，包括恒功率，點(diǎn)火控制等。

基本電路結(jié)構(gòu)

為了滿(mǎn)足燈在啟動(dòng)與穩(wěn)態(tài)時(shí)的不同要求，目前，一般采用的汽車(chē)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(chē)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(guò)一級(jí)升壓電路將電池電壓升高。

(2)高壓?jiǎn)?dòng)電路由于燈點(diǎn)亮需要高壓脈沖才能使燈管擊穿開(kāi)始放電，因此需要高壓?jiǎn)?dòng)電路。啟動(dòng)電路可采取一級(jí)或二級(jí)升壓的方式來(lái)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娏鳌Ｄ孀冸娐芬话悴捎萌珮蚰孀兤?。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(dòng)與保護(hù)電路燈管啟動(dòng)時(shí)控制啟動(dòng)電路。燈管點(diǎn)亮后，檢測(cè)是否有過(guò)壓及短路發(fā)生。通過(guò)檢測(cè)燈電壓與燈電流的信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路，使燈管能穩(wěn)定工作。

主電路拓?fù)涞倪x擇

升壓變換器除了要滿(mǎn)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(jì)。

(1)在眾多的電路拓?fù)渲?，Boost電路是最簡(jiǎn)單的。當(dāng)開(kāi)關(guān)S工作在很大的占空比時(shí)，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(wèn)題，開(kāi)關(guān)的電壓電流應(yīng)力高，損耗大。

(2)對(duì)于正激式變換器，雖然也可實(shí)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(chǔ)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(jí)繞組的匝數(shù)，因此需要大的窗口面積。所以過(guò)多的次級(jí)繞組會(huì)導(dǎo)致變壓器銅損的增加，對(duì)提高效率是不利的。

(3)采用Flyback變換器作為DC/DC級(jí)拓?fù)洌ㄟ^(guò)附加點(diǎn)火繞組的方法，減小DC/DC級(jí)的開(kāi)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(shí)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(chē)頭燈電子鎮(zhèn)流器的主電路拓?fù)渚C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?fù)洹?/p>

控制電路設(shè)計(jì)方案

燈的啟動(dòng)問(wèn)題是目前的一大熱點(diǎn)，因此對(duì)其控制方法的研究較多。通過(guò)控制系統(tǒng)的優(yōu)化，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度;縮短了燈的預(yù)熱時(shí)間，使燈能迅速進(jìn)入弧光放電;減少了燈的電極損耗;延長(zhǎng)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(jì)的一種低成本、簡(jiǎn)單可行的模擬控制電路。它完全能在汽車(chē)頭燈從啟動(dòng)到穩(wěn)定各個(gè)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(fù)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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)可使控制精度達(dá)到±5%左右的恒功率控制。但是，汽車(chē)頭燈比較特殊，為了要滿(mǎn)足其在4s內(nèi)達(dá)到額定光輸出的80%這一特殊要求，一開(kāi)始提供70W的瞬態(tài)功率給燈，而汽車(chē)頭燈的額定功率為35W。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)需要兩個(gè)恒功率控制環(huán)，兩者的切換通過(guò)一個(gè)門(mén)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖4示出恒功率控制的電路結(jié)構(gòu)

3點(diǎn)火控制方案

點(diǎn)火方式采用脈沖式點(diǎn)火，電路采用倍壓整流電路。圖5示出點(diǎn)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(fù)電壓把VD1導(dǎo)通，給C1充電。當(dāng)每個(gè)電容都充電到400V時(shí)，可使800V的氣體放電管觸發(fā)導(dǎo)通，開(kāi)始放電。這樣，當(dāng)變壓器初級(jí)產(chǎn)生800V脈沖時(shí)，次級(jí)就會(huì)產(chǎn)生上萬(wàn)伏的高壓脈沖，從而將高強(qiáng)度的氣體放電管雪崩擊穿。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在前述原理分析和實(shí)現(xiàn)方案討論的基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)論證。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)是額定功率為35W汽車(chē)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(kāi)關(guān)管選用的IRF540;二極管選用MUR860，變壓器的初級(jí)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(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電壓UgVM和開(kāi)關(guān)管漏源極兩端的電壓UdsVM實(shí)驗(yàn)波形?？梢?jiàn)，UdsVM有一個(gè)很大的尖峰，是漏感的能量所致。圖6c示出穩(wěn)態(tài)時(shí)兩端的電壓uo及其流過(guò)燈的電流io實(shí)際工作波形。由圖可見(jiàn)，燈兩端的輸出功率將近達(dá)35W，這與理論設(shè)計(jì)符合得很好。

研究了模擬控制汽車(chē)頭燈電子鎮(zhèn)流器的基本電路結(jié)構(gòu)，各電路拓?fù)涞倪x擇。通過(guò)實(shí)際樣機(jī)的制作，論證了模擬電路可用來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)頭燈從啟動(dòng)到穩(wěn)定的復(fù)雜控制要求;說(shuō)明了整個(gè)模擬控制汽車(chē)頭燈電子鎮(zhèn)流器電路設(shè)計(jì)的合理性。