HID燈和電子鎮(zhèn)流器間的接口設計

1 HID 電光源概述

HID 照明系統由HID 電光源、驅動電源( 鎮(zhèn)流器) 和燈具三部分構成，其中核心是光源。鎮(zhèn)流器和燈具的設計方向總是圍繞如何讓光源達到最佳的照明效果來擴展的。目前，根據發(fā)光物質的差別，HID 電光源分三大類，即高壓汞燈(HPL)、高壓鈉燈(HPS) 和金鹵燈(MH) ，其中金鹵燈又分石英金鹵燈( QMH) 和陶瓷金鹵燈( CMH 或者CDM)兩種。

以前HPL 燈主要應用于戶外照明，但是由于它的光效較低，HPL 現在已逐漸被HPS 燈取代。雖然LED 路燈概念初步付諸了實踐，但是戶外照明中性價比最高的依然是傳統電感式鎮(zhèn)流器驅動的HPS燈。HPS 的初始光效可以達到100lm /W 以上，并且可以實現20% 的調光，非常適合于照明節(jié)能，這都是HPS 的主要優(yōu)點。但是HPS 的顯色指數( CRI)較小，只有20 左右，難看的黃光是HPS 燈主要的缺陷。同屬鈉燈系列的白鈉燈( SDW) 通過犧牲光效(50lm /W 附近) ，可以將CRI 大大提高到80 以上，在超市的肉類櫥窗里很有用武之地。

光效和顯色指數這兩個指標，在鈉燈系列電光源中是不易兼得的，但在金鹵燈中卻得到了很好的平衡，例如: 金鹵燈初始光效在80lm /W 之上，顯色指數在70 以上。同QMH 相比， 大批量生產的CDM 的初始色溫一致性好，長期工作后的色溫穩(wěn)定性好，CDM 放電管壁材料采用PCA，對鹵鹽的腐蝕性耐力較強，從而避免了QMH 放電管在某些狀態(tài)下爆炸的危險。同等功率的CDM 同QMH 相比( 如70W) ，顯色指數和光效都提高了10 多個點，預期壽命是QMH 的1. 5 倍左右。并且，可以被調光到50% 的CDM 燈也已經問世。在不久的將來，光效可以和HPS 燈媲美、顯色性好、可調光的CDM 燈將成為戶外照明的新生力量。

HID 燈初始光效是指燈在連續(xù)工作100 小時之后所測得的光效，它的高低由燈自身特性決定，同鎮(zhèn)流器性能基本無關。但是，HID 燈長期工作的時效性—流明( 光效) 維持率和CRI 穩(wěn)定性，卻極大地受驅動鎮(zhèn)流器性能的影響。由于照明系統的核心是電光源，所以在保證安全和滿足成本控制等要求的前提下，最大限度地發(fā)揮燈的照明效果，是鎮(zhèn)流器優(yōu)化設計的基本準則。拋開鎮(zhèn)流器的市場因素不說，如果只從照明系統的性能角度出發(fā)，評估電子鎮(zhèn)流器質量優(yōu)劣的最重要指標就是燈—鎮(zhèn)流器接口性能( Lamp Driver Interaction or Interface-LDI) 的好壞。LDI 是一個綜合指標，首先它根據燈的工作特性，要求鎮(zhèn)流器有適合的參數匹配，以便給燈提供最佳的驅動效果; 其次，它要求在燈的不同工作階段和異常工作狀態(tài)下鎮(zhèn)流器都有很好的可靠性。HID 鎮(zhèn)流器和燈的匹配性及鎮(zhèn)流器自身的可靠性是本文討論的核心。

2 HID 燈和電子鎮(zhèn)流器間接口性能指標(LDI)

HID 燈的工作是一個復雜的氣體放電和原子發(fā)光的過程，HID 燈要被可靠點亮并長期穩(wěn)定高效地工作，必須對燈電壓、燈電流和燈功率的大小、形狀、頻率、諧波含量等電學參數提出規(guī)范化的要求，而HID 電子鎮(zhèn)流器線路拓撲不斷發(fā)展及控制方法不斷完善的目的也就是為了更好地達到這些規(guī)范化的要求。HID 燈的各個工作階段直接關聯HID 鎮(zhèn)流器的設計，它們分別是:

(1) 放電管的電流擊穿同鎮(zhèn)流器的點火尖峰電壓間的關系: 當鎮(zhèn)流器產生的點火尖峰電壓足夠大時( > 3kV) ，HID 放電管中的中性原子( 如汞原子) 開始被電離，正離子轟擊電極并產生大量電子，導致電子雪崩和自持放電，這就是放電管的電流擊穿階段，該階段的放電是輝光放電，要求鎮(zhèn)流器給放電管電極之間提供足夠高度和寬度的電壓尖峰。如果尖峰電壓峰值不夠大，或者尖峰電壓中累積有效脈寬不夠大，則放電管不易自持放電; 如果尖峰電壓峰值太大( 如> 5kV) ，則在HID 燈的熱點火時，在HID 外泡的兩個電極引線之間可能會發(fā)生拉弧打火現象。另外，基于安全考慮，鎮(zhèn)流器的點火過程應該是可控的，當點火時間超過30 分鐘時，點火線路必須停止工作。

(2) 放電管的電壓擊穿同鎮(zhèn)流器開路電壓(OCV) 間的關系: 在輝光放電發(fā)生后， 如果在放電管兩個電極之間維持足夠大的電壓，則電子雪崩程度會加劇，最終導致放電管電極兩端電壓從開路電壓( open-circuit voltage，OCV) 跳變到10V 左右，該過程被稱為輝光放電到弧光放電的轉移( GTA) ，這就是放電管的電壓擊穿階段，該階段要求鎮(zhèn)流器能夠在放電管兩個電極之間維持足夠大的OCV。如果OCV 不夠大， 則放電管的電壓擊穿不易實現，GTA 不順暢，很難過渡到穩(wěn)定的弧光放電階段，則輝光放電維持時間被拉長; 如果OCV 過大，則汞正離子對電極的轟擊太過劇烈，會引起電極物質的過渡濺射。輝光放電維持時間長，電極物質濺射嚴重，是HID 燈壽命縮短以及流明維持率驟減的主要原因，所以OCV 過小或者過大，都是不允許的。

(3) 放電管的Runup 過程同鎮(zhèn)流器的Runup 電流大小間的關系: HID 燈的Runup 過程就是放電管中汞齊和鹵鹽氣化，電極兩端電壓和燈功率逐步增大的過程，當燈功率達到滿功率時，Runup 階段完成。在CDM 燈的Runup 階段， 鎮(zhèn)流器最好能夠輸出大小恒定的Runup 電流，并且Runup 電流大小的設置應符合燈的規(guī)格要求。如果Runup 電流過小，則放電管鹵鹽不能氣化，燈會熄滅; 而如果Runup電流過大，則電極物質蒸發(fā)損耗太大，放電管管壁過早發(fā)黑，也會引起流明維持率驟減。

(4) 放電管中的聲共振、放電管的老化同鎮(zhèn)流器輸出電流波形間的關系: 金鹵燈能否穩(wěn)定長期工作，燈流明維持率的高低、使用壽命的長短，同鎮(zhèn)流器輸出到燈中的電流波形形狀關系很大。理論和實踐都證明，低頻方波電流是驅動金鹵燈的最佳方式，它能有效抑制金鹵燈放電管中的聲共振、延緩流明維持率的衰減速度、延長金鹵燈的使用壽命。對低頻方波電流形狀的要求，又可細化為以下指標:①電流頻率應該介于70Hz ～ 400Hz 之間，以克服頻閃并避開聲共振; ②電流換向速度要快，盡量保證換流在100uS 以內完成，以便減少換向過程中的電子復合和輝光放電; ③換流邊沿的電流過沖要小，電流峰值因數( CF) 小， 以便減弱電極物質的蒸發(fā); ④燈電流中包含的高頻紋波含量要盡量少，否則聲共振有被激發(fā)的危險。

(5) 放電管中光色穩(wěn)定性同鎮(zhèn)流器功率控制間的關系: 隨著HID 燈的老化( 鹵鹽成分變化和流失、電極物質的濺射和蒸發(fā)) ，燈電壓會不斷上升，而功率控制的目的就是保證燈功率按照設定的規(guī)律變化。HID 燈的功率控制，對于穩(wěn)定光色和延長燈管的使用壽命都是必須的。在金鹵燈中，如果燈功率過低，則光色偏綠; 若燈功率過高，雖然光色不變，但是會導致放電管管壁溫度和及其中的鹵鹽溫度升高，加速管壁的腐蝕和老化。金鹵燈(QMH 和CDM) 的功率控制要求比較簡單，那就是在燈電壓的整個正常工作范圍內( 如70V ～ 150V) ，燈功率基本維持不變。在大批量生產中，不同金鹵燈個體之間的功率存在偏差，一般來說，實際燈功率同額定燈功率之間有± 3% 到± 5% 的偏差是允許的。