金鹵燈二級拓撲電子鎮流器控製策略的研究
科技發展
作者：牛靜霞 楊之陽
【摘要】金鹵燈啟動過程包括上電、點火、過渡、升壓和穩態五個階段，在整個過程中存在強烈的非線性特性，特別是在燈擊穿後，將會出現負阻特性，因此電子鎮流器要采用不同的控製策略，使燈能夠從一個階段順利地進入下一個階段。為了節約成本，提高燈的使用效率，本文采用二級拓撲電路代替傳統的三級拓撲結構，采用PFC級和全橋DC/AC級電路，實現小功率金鹵燈的穩定啟動。
【關鍵詞】金鹵燈；電子鎮流器；二級拓撲；小功率
1.引言
隨著科技進步，人類對照明的需求也與時俱進，經曆了白熾燈、熒光燈兩代照明產品之後，人類開辟了照明史的新紀元，進入了金屬鹵化物燈的照明時代[1]。較之前兩代產品，金鹵燈的啟動過程更為繁瑣，在此過程中需要電子鎮流器的參與。所以對鎮流器的研究成了光源照明技術發展過程中必不可少的環節。最初研究鎮流器主要麵臨的技術難題是“聲諧振”現象。隨著研究的深入，可采用低頻方波技術能有效的解決這個問題，使電子鎮流器應用於金鹵燈獲得了極其重要的進展。
在傳統的電子鎮流器的設計中，往往采用三級電路拓撲，包括率因數校正（PFC）電路、DC/DC電路和C/AC逆變電路[2]。但是電路級數越多使用的器件越多並且使產品設計愈顯複雜。因此為了節約設計成本簡化電路設計，本文提出一種電子鎮流器二級拓撲結構的設計思想。
2.鎮流器的電路拓撲結構
2.1 三級電路拓撲結構
在電子鎮流器的設計中，最常采用的設計電路為傳統的三級拓撲，係統結構由功率因數校正（PFC）電路、DC/DC電路和DC/AC電路組成，三部分電路相互獨立且各自完成相應的功能。第一級的功率因數校正電路，可選用的拓撲為BOOST型和反激型的功率因數校正電路。第二級電路為DC/DC電路，其主要功能是控製燈啟動過程中的電流和功率，穩定燈的工作點，這一級電路最常采用的拓撲為BUCK電路。第三級電路為DC/AC逆變電路，其主要功能是為燈提供一個交變的工作電流和電壓，常用拓撲為半橋和全橋電路[3]。傳統的三級電路每一級電路獨立執行相應的功能。控製相對簡單，係統的可靠性較好。但是，傳統的三級低頻方波電路存在電路複雜、成本高、效率低等缺點。
2.2 二級電路拓撲結構
近年來兩級低頻方波電子鎮流器得到了很大的發展，主要有兩種功能組合方式：
（1）將功率因數校正環節（PFC）和DC/DC進行合並，合並後的電路既要完成功率因數校正的功能，又需要控製燈的啟動過程中的電流，控製較三級電路複雜。
（2）將DC/DC和逆變電路進行合並，整個電路省去了DC/DC環節，逆變電路進行PWM調製，起到控製燈電流大小和換向的作用[4]。此種方法主要有PFC級+全橋DC/AC級和PFC級+半橋DC/AC級兩種，但是，由於半橋雙BUCK低頻方波變換器開路輸出電壓低燈信號取樣困難控製電路複雜等，所以采用PFC級+全橋DC/AC級電路。
3.鎮流器各級電路的控製策略
電子鎮流器本身，實際上是一種AC/DC/AC的特種電源。采用二極管整流、電容濾波的整流環節會使輸入電流嚴重畸變[5]。特別是大量使用時對電網產生嚴重的諧波汙染且功率因數較低。對於這種使用數量大的中小功率單相電源係統，最理想的方法是在電源內部采取功率因數校正措施，從根本上消除諧波源。通常功率因數校正方法有兩種：有源功率因數校正（APFC）和無源功率因數校正（PPFC）。但無源功率因數校正（PPFC）的功率因數不是很高，隻能達到0.8～0.9之間，很難接近1，並且電路中電感體積大且重，給電路設計帶來一定麻煩。而有源功率因數校正（APFC）技術被認為是合適的選擇，很多公司也推出了各種成熟的功率因數校正芯片。此次設計我們采用的功率因數校正芯片就是TI公司最近新推出的UCC28019。