金卤灯二级拓扑电子镇流器控制策略的研究

        1.引言
随着科技进步，人类对照明的需求也与时俱进，经历了白炽灯、荧光灯两代照明产品之后，人类开辟了照明史的新纪元，进入了金属卤化物灯的照明时代.较之前两代产品，金卤灯的启动过程更为繁琐，在此过程中需要电子镇流器的参与。所以对镇流器的研究成了光源照明技术发展过程中必不可少的环节。最初研究镇流器主要面临的技术难题是“声谐振”现象。随着研究的深入，可采用低频方波技术能有效的解决这个问题，使电子镇流器应用于金卤灯获得了极其重要的进展。
在传统的电子镇流器的设计中，往往采用三级电路拓扑，包括率因数校正(PFC)电路、DC/DC电路和DC/AC逆变电路.但是电路级数越多使用的器件越多并且使产品设计愈显复杂。
因此为了节约设计成本简化电路设计，本文提出一种电子镇流器二级拓扑结构的设计思想。
2.镇流器的电路拓扑结构
2.1 三级电路拓扑结构
在电子镇流器的设计中，最常采用的设计电路为传统的三级拓扑，系统结构由功率因数校正(PFC)电路、DC/DC电路和DC/AC电路组成，三部分电路相互独立且各自完成相应的功能。第一级的功率因数校正电路，可选用的拓扑为BOOST型和反激型的功率因数校正电路。
第二级电路为DC/DC电路，其主要功能是控制灯启动过程中的电流和功率，稳定灯的工作点，这一级电路最常采用的拓扑为BUCK电路。
第三级电路为DC/AC逆变电路，其主要功能是为灯提供一个交变的工作电流和电压，常用拓扑为半桥和全桥电路.传统的三级电路每一级电路独立执行相应的功能。控制相对简单，系统的可靠性较好。但是，传统的三级低频方波电路存在电路复杂、成本高、效率低等缺点。
2.2 二级电路拓扑结构
近年来两级低频方波电子镇流器得到了很大的发展，主要有两种功能组合方式：
(1)将功率因数校正环节(PFC)和DC/DC进行合并，合并后的电路既要完成功率因数校正的功能，又需要控制灯的启动过程中的电流，控制较三级电路复杂。
(2)将DC/DC和逆变电路进行合并，整个电路省去了DC/DC环节，逆变电路进行PWM调制，起到控制灯电流大小和换向的作用.此种方法主要有PFC级+全桥DC/AC级和PFC级+半桥DC/AC级两种，但是，由于半桥双BUCK低频方波变换器开路输出电压低灯信号取样困难控制电路复杂等，所以采用PFC级+全桥DC/AC级电路。


       
3.镇流器各级电路的控制策略
电子镇流器本身，实际上是一种AC/DC/AC的特种电源。采用二极管整流、电容滤波的整流环节会使输入电流严重畸变[5].特别是大量使用时对电网产生严重的谐波污染且功率因数较低。对于这种使用数量大的中小功率单相电源系统，最理想的方法是在电源内部采取功率因数校正措施，从根本上消除谐波源。通常功率因数校正方法有两种：有源功率因数校正(APFC)和无源功率因数校正(PPFC)。但无源功率因数校正(PPFC)的功率因数不是很高，只能达到0.8~0.9之间，很难接近1,并且电路中电感体积大且重，给电路设计带来一定麻烦。
而有源功率因数校正(APFC)技术被认为是合适的选择，很多公司也推出了各种成熟的功率因数校正芯片。此次设计我们采用的功率因数校正芯片就是TI公司最近新推出的UCC28019.
3.1 有源功率因数校正(APFC)电路
UCC28019是一款在连续工作模式下，采用平均电流控制策略，以固定频率输出PWM波控制开关管的通断，实现功率因数校正，该芯片具有软启动、欠/过压保护、过流保护、开路保护以及峰值电流限制等功能。
UCC28019通过调节BOOST电路的开关管的占空比来稳定输出电压，在电路输出端通过电阻分压得到电压反馈，将反馈电压送入芯片内部误差比较器和基准电压进行比较，芯片内部振荡器调节输出PWM的占空比实现输出稳压。
3.2 全桥DC/AC逆变电路
上电过程是在金卤灯点火击穿以前，灯负载相当于与开路，为了使得点火阶段能够正常，必须要有足够高的开路电压。这个电压通过启动电路供给灯足够高的电压脉冲，击穿灯管。
点火过程金卤灯需要3-5KV的电压，同时这个脉冲要保持几十微妙的时间，脉冲上升时间越短越好。在高压脉冲的激励下，经过一次或几次灯就会启动，进入下一阶段。
瞬间产生高压通常采取DC/AC逆变电路实现。常见的逆变电路分为半桥逆变和全桥逆变。全桥逆变电路是逆变器中得到最广泛应用的拓扑形式，其器件承受的电压较低，控制灵活，在自换流或者负载换流模式下都可以工作，不依赖变压器参与逆变，因此采用全桥逆变的控制策略。
为了节约成本，数控芯片我们采用AT89S52单片机，对于金卤灯电子镇流器来说，存在所谓的“声谐振”,当稳态时工作频率超过1kHz时，金卤灯的工作状态就会变得不稳定，这种不稳定表现为共鸣。为了避免生这种现象，我们在逆变过程中产生的PWM波不能超过1KHz,使用AT89S52单片机产生PWM波完全满足设计需求，但是单片机输出电压过低，逆变过程需要用驱动芯片来升高单片机产生的PWM波电压。
我们选用IR2110芯片，IR2110是利用独有的高压集成电路及无门锁CMOS技术，是目前使用较广的大功率MOSFET和IGBT专用栅极驱动集成电路芯片，已在电源变换、马达调速等功率驱动领域中获得了广泛的应用。
由单片机产生PWM波，输送给IR2110,经过升压后控制MOS关开关产生交变电流，逆变产生的交流电经过1:10的升压变压器变压后即可满足金卤灯的开启电压。
4.总结
上述仅是基于单片机设计的金卤灯电子镇流器二级电路拓扑的基本研究方法。本文采用二级拓扑电路代替传统的三级拓扑结构，采用PFC级和全桥DC/AC级电路，省去了DC/DC级电路，降低了金卤灯的生产成本，但能够正常实现小功率金卤灯的稳定启动，解决灯在被击穿后出现的负阻特性，有利于金卤灯在光源照明领域的广泛应用。