HID燈和電子鎮(zhèn)流器間的接口設(shè)計(jì)

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(huì)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(xiǎn)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(huì)泄漏到外泡之中。當(dāng)外泡中鹵鹽濃度氣壓超過5mPar 時(shí)，外泡中也會(huì)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(xiǎn)，這就是HID 燈的EOL 風(fēng)險(xiǎn)。正是由于HID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HID 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(duì)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)，HID 鎮(zhèn)流器必須具有識(shí)別HID 燈泡EOL 特征的功能，并在EOL 工作狀態(tài)出現(xiàn)時(shí)，要盡快停止HID 燈的工作。

EOL 風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重程度主要同3 個(gè)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(xiǎn)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(xiǎn)也各不相同。即便是同一個(gè)150W，工作在EOL 狀態(tài)的CDM 燈泡，它的EOL 風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)最大。

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

3 HID 電子鎮(zhèn)流器同燈接口設(shè)計(jì)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(dòng)，同時(shí)要求在HID 燈所有工作階段和可能的異常工作狀態(tài)下，HID 電子鎮(zhèn)流器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(dòng)條件及對(duì)應(yīng)的等效電學(xué)參數(shù)融匯到鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)中，是HID 電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)的基本立足點(diǎn)和出發(fā)點(diǎn)。首先，為了驅(qū)動(dòng)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(diǎn)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(diǎn)火尖峰電壓，點(diǎn)火時(shí)序和點(diǎn)火維持時(shí)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(shí)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(jì)之中，在臨界電感電流模式下，燈電流的大小控制就非常簡(jiǎn)單，因?yàn)殡姼须娏鞣逯档囊话刖偷扔跓綦娏?，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(shí)現(xiàn)恒電流Runup。另外，這個(gè)技術(shù)對(duì)于提鎮(zhèn)流器的可靠性，實(shí)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(duì)HID燈的匹配性而言，三級(jí)結(jié)構(gòu)的鎮(zhèn)流器是最友善的，并且在控制方法的實(shí)施難易程度上，利用三級(jí)結(jié)構(gòu)的HID鎮(zhèn)流器來實(shí)現(xiàn)燈所要求的恒壓、恒流和恒功率(恒光色)是比較簡(jiǎn)單的，其中BUCK變換器的控制是核心。在三級(jí)線路中(圖2上)，BOOST 變換器實(shí)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(shí)現(xiàn)現(xiàn)穩(wěn)壓(點(diǎn)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(diǎn)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(dòng)作。

簡(jiǎn)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(shí)為了順應(yīng)電力電子產(chǎn)品發(fā)展的基本趨勢(shì)(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(chǎng)上HID電子鎮(zhèn)流器的主電路拓?fù)淙?jí)結(jié)構(gòu)和兩級(jí)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(diǎn)火尖峰電壓發(fā)生線路的工作應(yīng)該交由定時(shí)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(diǎn)火電容容值大小，就可以將點(diǎn)火尖峰的高度和寬度調(diào)整到適合的數(shù)值。當(dāng)燈被點(diǎn)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(shí)間后，如果燈仍然不能被點(diǎn)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(xiǎn)，點(diǎn)火動(dòng)作應(yīng)該是間斷式的(burst ignition),這一點(diǎn)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(shí)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(shí)別燈的EOL狀態(tài)并EOL保護(hù)。

雖然HID鎮(zhèn)流器三級(jí)線路同燈之間的匹配最友善，但是該線路對(duì)電能要通過三級(jí)處理，所以線路效率比兩極線路低;并且，三級(jí)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(shì)。正是由于三線線路的這些不易彌補(bǔ)的缺點(diǎn)，兩極線路才是今后主流的發(fā)展方向。

在兩級(jí)的FBCF線路中(圖2中)，除了要實(shí)現(xiàn)低頻換向的功能外，還要輸出穩(wěn)定的OCV電壓(點(diǎn)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(diǎn)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(gè)開關(guān)周期內(nèi)的通態(tài)時(shí)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(jí)線路中的BUCK變換器和低頻換向逆變橋的所有功能。在兩級(jí)的HBCF線路中(圖2下)，除了實(shí)現(xiàn)低頻換向的功能外，還要實(shí)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(shí)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。