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HID燈和電子鎮(zhèn)流器間的接口設(shè)計

作者: 時間:2012-05-10 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

在白鈉燈( SDW) 中, 不同于金鹵燈的地方是,即便白鈉燈一直工作在初始額定功率上,但隨著燈電壓的上升,光色也會漂移,所以白鈉燈的燈功率不僅不能過低和過高,而且燈功率大小必須隨著燈壓的上升而不斷調(diào)整,以便維持光色的穩(wěn)定。

(6) 放電管壽終(End-of-life,EOL) 風(fēng)險同鎮(zhèn)流器EOL 保護(hù)功能間的關(guān)系: 在金鹵燈中,氣體放電和發(fā)光是在石英或陶瓷內(nèi)膽中發(fā)生的,但是由于老化或其他原因,內(nèi)膽中的鹵鹽可能會泄漏到外泡之中。當(dāng)外泡中鹵鹽濃度氣壓超過5mPar 時,外泡中也會發(fā)生氣體放電,并導(dǎo)致燈座溫度顯著上升和燈線絕緣層的快速老化和破損,從而帶來觸電等安全風(fēng)險,這就是 燈的EOL 風(fēng)險。正是由于燈在EOL 工作階段涉及到用戶的安全問題,IEC 標(biāo)準(zhǔn)(60598 ) 要求在 燈具中, 在HID 燈泡的EOL 工作狀態(tài),燈座溫度不能超過180°,或者對應(yīng)于HID 燈泡箍頸( Pinch) 部位的溫度不可以超過350°。為了達(dá)到這個標(biāo)準(zhǔn),HID 鎮(zhèn)流器必須具有識別HID 燈泡EOL 特征的功能,并在EOL 工作狀態(tài)出現(xiàn)時,要盡快停止HID 燈的工作。

EOL 風(fēng)險的嚴(yán)重程度主要同3 個因素有關(guān),分別是: ①燈泡內(nèi)膽容積同外泡容積的比值; ②燈泡內(nèi)膽中鹵鹽填充濃度( 氣壓) ; ③外泡中放電類型。相比較而言,150W CMH 燈泡的EOL 風(fēng)險最大。不同公司生產(chǎn)的150W CDM 燈, 燈泡內(nèi)膽中填充的鹵鹽濃度可能不相同, 因而EOL 風(fēng)險也各不相同。即便是同一個150W,工作在EOL 狀態(tài)的CDM 燈泡,它的EOL 風(fēng)險大小還同外泡中的放電模式相關(guān)聯(lián)。EOL 燈泡中, 外泡中的放電分以下3 種: ①輝光放電模式; ②弧光放電模式; ③白熾燈模式,其中弧光放電模式和白熾燈模式的安全風(fēng)險最大。

在知名國際品牌的CMH 燈中,試驗數(shù)據(jù)表明,150W CMH 燈中,GE 公司生產(chǎn)的燈泡EOL 風(fēng)險較大; 而70W CMH 燈中, Philips 公司生產(chǎn)的燈泡EOL 風(fēng)險較大。

圖1 給出了CDM 燈工作在EOL 階段的輝光放電狀態(tài)( 左) 和白熾燈狀態(tài)( 右) 的圖片。白熾燈狀態(tài)下,輸入到燈的電功率大部分耗散在焦耳熱的產(chǎn)生上( 而不是發(fā)光) ,從而燈腳( Pin) 和燈線溫升很大,燈線絕緣層容易被燙傷破損和過早老化,可能導(dǎo)致燈線金屬層同燈具發(fā)生短路和用戶被電擊的危險。

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3 HID 同燈的基本原理

LDI 具有雙重意義,它不僅要求HID 鎮(zhèn)流器給HID 燈提供良好的驅(qū)動,同時要求在HID 燈所有工作階段和可能的異常工作狀態(tài)下,HID 都具有高度的可靠性來抵御失效。

通過上面的敘述,我們知道,要深入理解HID燈的性能要求和工作特性,將燈在不同工作階段所需要的驅(qū)動條件及對應(yīng)的等效電學(xué)參數(shù)融匯到鎮(zhèn)流器的設(shè)計中,是HID 設(shè)計的基本立足點和出發(fā)點。首先,為了驅(qū)動HID 燈,HID 電子鎮(zhèn)流器必須具備的基本外部特性是:

(1) 在燈的點火階段, 提供恒定的OCV 電壓和適當(dāng)高度和足夠?qū)挾鹊狞c火尖峰電壓,點火時序和點火維持時間是可控的;

(2) 在燈的Runup 階段,提供恒定的Runup 電流;

(3) 在燈的正常工作階段,提供恒定的輸出功率或者恒定光色控制。

(4)在燈的EOL工作階段,能夠識別EOL狀

電力電子線路中的“臨界電感電流模式”技術(shù)也被應(yīng)用到HID電子整流器的線路設(shè)計之中,在臨界電感電流模式下,燈電流的大小控制就非常簡單,因為電感電流峰值的一半就等于燈電流,所以在燈的Runup階段,只要將電感電流的峰值控制在設(shè)定值,就可以實現(xiàn)恒電流Runup。另外,這個技術(shù)對于提鎮(zhèn)流器的可靠性,實現(xiàn)“零電壓開關(guān)”和改善電磁兼容性都直到重要作用。

從對HID燈的匹配性而言,三級結(jié)構(gòu)的鎮(zhèn)流器是最友善的,并且在控制方法的實施難易程度上,利用三級結(jié)構(gòu)的HID鎮(zhèn)流器來實現(xiàn)燈所要求的恒壓、恒流和恒功率(恒光色)是比較簡單的,其中BUCK變換器的控制是核心。在三級線路中(圖2上),BOOST 變換器實現(xiàn)功率因數(shù)校正和恒定直流電壓輸出的兩大功能,BUCK變換器實現(xiàn)現(xiàn)穩(wěn)壓(點燈階段)和限流(Runup階段和正常工作階段)的兩大功能,而逆變橋?qū)崿F(xiàn)低頻換向的功能。首先,在燈的點燈階段,控制BUCK變換器輸出電壓的大小,可以給燈提供恒定的OCV電壓。在燈的Runup 階段,控制工作于臨界模式的BUCK變換器電感電態(tài),并采取適合的保護(hù)動作。

簡單的說,在HID燈不同的工作階段,電子鎮(zhèn)流器分別具有恒壓、恒流、恒功率的外部特性,為了使鎮(zhèn)流器具備這些輸出特性,同時為了順應(yīng)電力電子產(chǎn)品發(fā)展的基本趨勢(高能效、高功率密度、小型化),鎮(zhèn)流器內(nèi)部線路必須采取適合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制邏輯。

目前市場上HID電子鎮(zhèn)流器的主電路拓?fù)淙壗Y(jié)構(gòu)和兩級結(jié)構(gòu)兩類,而兩極拓?fù)溆址秩珮騼蓸O(FBCF)和半橋兩極(HBCF)兩種,它們的原理圖在圖2給出。

在HID電子鎮(zhèn)流器中,基于安全原因,點火尖峰電壓發(fā)生線路的工作應(yīng)該交由定時器來控制,并且通過調(diào)整與燈相串聯(lián)的升壓變壓器的匝比(如圖中的Lig元件)以及調(diào)整同該變壓器繞組相并聯(lián)的點火電容容值大小,就可以將點火尖峰的高度和寬度調(diào)整到適合的數(shù)值。當(dāng)燈被點亮?xí)r,尖峰電壓發(fā)生線路的工作被中止;當(dāng)超過一定時間后,如果燈仍然不能被點亮,則停止尖峰電壓發(fā)生線路的工作。為了降低HID燈的EOL風(fēng)險,點火動作應(yīng)該是間斷式的(burst ignition),這一點后面再詳述。

流峰值的大小,可以給燈提供恒定的Runup電流。而在燈的正常工作階段,根據(jù)燈電壓的變化,控制BUCK變換器輸入電流的平均值,可以實現(xiàn)恒功率控制或者恒光包控制。在燈的EOL階段,通過監(jiān)控BUCK變換器的輸出電壓的變化范圍,來識別燈的EOL狀態(tài)并EOL保護(hù)。

雖然HID鎮(zhèn)流器三級線路同燈之間的匹配最友善,但是該線路對電能要通過三級處理,所以線路效率比兩極線路低;并且,三級線路需要較多的元器件,元器件的成本可能比兩線路高;再者,三線線路中,PCB面積大,不利于鎮(zhèn)流器小型化的發(fā)展趨勢。正是由于三線線路的這些不易彌補(bǔ)的缺點,兩極線路才是今后主流的發(fā)展方向。

在兩級的FBCF線路中(圖2中),除了要實現(xiàn)低頻換向的功能外,還要輸出穩(wěn)定的OCV電壓(點火階段)和限流(Rrunp階段和正常工作階段)等功能。FBCF的直流輸入電壓一直穩(wěn)定在400V,在燈的點火階段,通過調(diào)整高頻橋臂開關(guān)的占空比,可以將燈電極兩端的OCV電壓調(diào)整到設(shè)定值;在Runup階段和正常工作階段,電感L2工作在臨界電流模式,通過調(diào)整高頻橋臂開關(guān)的Ton (每個開關(guān)周期內(nèi)的通態(tài)時間),可以控制L2,電感電流的峰值,并進(jìn)一步控制燈電流的大小。顯然,F(xiàn)BCF純種兼具三級線路中的BUCK變換器和低頻換向逆變橋的所有功能。在兩級的HBCF線路中(圖2下),除了實現(xiàn)低頻換向的功能外,還要實現(xiàn)限流(Runup階段和正常工作階段)功能。在Runup 階段和正常工作階段,電感L2工作在臨界電流模式,通過調(diào)整高頻橋臂開關(guān)的Ton ( 通態(tài)時間) ,可以控制L2電感電流的峰值,并進(jìn)一步控制燈電流的大小。

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