金鹵燈鎮流器-MOS管應用方案
金鹵燈結構和工作原理

金屬鹵化物燈(以下簡(jiǎn)稱(chēng)金鹵燈）是一種氣體放電燈，通過(guò)一個(gè)產(chǎn)生光電弧通過(guò)氣化的氣體混合物的汞和金屬鹵化物 (具有金屬的化合物的溴或碘)。它是一種類(lèi)型的高強度放電(HID)氣體放電燈。在20世紀60年代開(kāi)發(fā)的，它們類(lèi)似于汞蒸氣燈，但包含在附加的金屬鹵化物石英弧光管，其提高了效率和色彩還原的光。最常用的金屬鹵化物是碘化鈉。一旦電弧管到達其運行溫度時(shí)，鈉從碘離解，添加橙色和紅色從鈉D線(xiàn)的燈的光譜作為金屬電離。其結果是，金鹵燈具有較高的發(fā)光效率每瓦左右75-100流明，是汞的兩倍左右蒸氣燈和3至5倍的白熾燈，并產(chǎn)生強烈的白色光。燈泡壽命為6000至15000小時(shí)。由于采用的最有效的來(lái)源之一CRI白光，金屬鹵化物在2005年進(jìn)行了照明行業(yè)中增長(cháng)最快的領(lǐng)域。它們用于廣區頂部照明商業(yè)，工業(yè)和公共場(chǎng)所，如停車(chē)場(chǎng)，運動(dòng)場(chǎng)，工廠(chǎng)和零售商店，以及住宅的安全照明和汽車(chē)前大燈(氙氣大燈)。

該燈由一小的熔融石英或陶瓷 電弧管，其中包含的氣體和電弧，封閉其具有一涂層，以篩選出一個(gè)較大的玻璃燈泡內的紫外光產(chǎn)生的。它們在之間的壓力下操作圖4和20個(gè)大氣壓，以及需要特殊的夾具安全地操作，以及電鎮流器。金屬原子產(chǎn)生大部分的光輸出。他們需要幾分鐘的預熱期達到全光輸出。

由于高CRI白光的最有效的來(lái)源之一，金屬鹵化物在2005年是照明行業(yè)中增長(cháng)最快的領(lǐng)域。它們用于廣域頂燈商業(yè)，工業(yè)和公共場(chǎng)所，如停車(chē)場(chǎng)，運動(dòng)場(chǎng)，工廠(chǎng)和零售商店，以及小區保安照明和汽車(chē)前大燈(氙氣大燈) 。圖示出在385nm，422nm，497nm，540nm處，564nm，583nm(最高)，630nm的，和674nm峰值的典型的金鹵燈的輸出光譜。

金鹵燈鎮流器

電子鎮流器35W金鹵燈泡電弧中的金鹵燈，在所有氣體放電燈具有負電阻特性; 也就是說(shuō)，只要通過(guò)燈泡的電流增加時(shí)，電壓兩端減小。如果燈泡是從一個(gè)恒壓源供電，如直接從交流布線(xiàn)，電流將增加，直到燈泡破壞本身; 因此，鹵化物燈泡需要電鎮流器限制電弧的電流。

有兩種類(lèi)型：

電感鎮流器 -許多裝置使用一個(gè)電感鎮流器，也被稱(chēng)為磁鎮流器，類(lèi)似于那些與所用的熒光燈。這包括一個(gè)鐵芯的電感器。電感器提供了一個(gè)阻抗AC電流。如果通過(guò)燈的電流增加，電感減少，以保持電流受限的電壓。電子鎮流器 -這些更輕，更緊湊。它們由一個(gè)的電子振蕩器，其產(chǎn)生高頻電流以驅動(dòng)燈。因為他們有比電感鎮流器低電阻損失，他們是更節能。然而，高頻率操作不增加燈效率作為熒光燈。

脈沖啟動(dòng)的金鹵燈泡不包含起始電極，它撞擊弧，并且需要的點(diǎn)火器，以產(chǎn)生一個(gè)高電壓(1-5千伏冷擊，用在熱重燃30千伏)脈沖來(lái)啟動(dòng)弧。電子鎮流器包括在一個(gè)包中的點(diǎn)火器電路。美國國家標準協(xié)會(huì )(ANSI)的燈鎮流器系統標準建立的所有的金屬鹵化物組分的參數(與一些較新的產(chǎn)品除外)。

自鎮流燈截至2012年，有幾家公司已經(jīng)開(kāi)始提供自鎮流金鹵燈直接取代白熾燈和自鎮流水銀燈。這些燈包括具有起動(dòng)電極的電弧管，以及一個(gè)管狀的鹵素燈，其連接在串聯(lián)和用于調節在弧光管的電流。電阻提供限制的起始電極的電流。像自鎮流汞汽燈，自鎮流金鹵燈直接連接到主電源，并且不需要外部鎮流器。與此相反的前，這些燈通常具有明確的外部燈泡沒(méi)有涂層，使得在電弧管和鹵素燈管顯然從外部可見(jiàn)的。

色溫

由于所產(chǎn)生的更白，更自然光，金鹵燈最初首選的藍色水銀燈。隨著(zhù)引進(jìn)專(zhuān)業(yè)化金屬鹵化物混合物，金鹵燈，現已與相關(guān)色溫從3000 K至20000 K.色溫可以從燈稍有變化，以燈，并且這種作用是明顯的地方有許多的燈被使用。因為燈的色彩特性趨向燈的壽命期間改變，根據燈泡已被燒毀，100小時(shí)(調味)之后的顏色被測量的ANSI標準。較新的金屬鹵化物的技術(shù)，被稱(chēng)為“脈沖啟動(dòng)”，具有改善的顯色性和更可控的開(kāi)爾文方差(±100至200開(kāi)爾文)。

金鹵燈的色溫也可以通過(guò)電氣系統的供電在燈泡本身的燈泡和制造差異的電特性的影響。如果一個(gè)金鹵燈泡是因為較低的動(dòng)力不足，操作溫度，其光輸出將是因為汞的單獨的蒸發(fā)的藍色。這種現象可以升溫期間中可以看出，當弧光管尚未達到整個(gè)工作溫度和鹵化物還沒(méi)有完全蒸發(fā)。它也與調光鎮流器非常明顯的。逆是真實(shí)的一個(gè)燈泡過(guò)于強大，但是，這個(gè)條件可能是危險的，可能導致電弧管爆炸，因為過(guò)熱和過(guò)壓。

啟動(dòng)和預熱

通電后，400瓦金鹵燈不久“冷”(下操作溫度)的金鹵燈不能立即開(kāi)始產(chǎn)生其充分的光量，因為在內側弧室中的溫度和壓力所需要的時(shí)間來(lái)達到完全的操作水平。啟動(dòng)初始氬弧焊(或氙汽車(chē))有時(shí)需要幾秒鐘，(取決于燈泡類(lèi)型)的預熱期可長(cháng)達五分鐘。在此期間，該燈顯示出不同顏色的各種金屬鹵化物在電弧室汽化。

如果電源中斷，甚至簡(jiǎn)單地說(shuō)，在燈的電弧熄滅，而存在于熱發(fā)光管的高壓力將防止再起弧的弧;與正常的點(diǎn)火器的5-10分鐘冷卻期將要求可重新啟動(dòng)燈之前，但具有特殊點(diǎn)火器而特別設計的燈，電弧可以立即重新建立。在沒(méi)有瞬間重燃能力燈具，電源的瞬間損失可能意味著(zhù)沒(méi)有光線(xiàn)幾分鐘。為安全起見(jiàn)，許多金鹵燈具有冷卻和再起弧期間工作備份鹵鎢燈的白熾燈。一旦金屬鹵化物restrikes和升溫，白熾燈光安全關(guān)閉。溫暖的燈也往往需要更多的時(shí)間比開(kāi)始徹底的涼了一盞燈充分發(fā)揮其亮度。所有的HID電弧管強度降低了他們的一生，因為各種因素，如化學(xué)腐蝕，熱應力和機械振動(dòng)。隨著(zhù)燈的老化電弧管變色，吸收光線(xiàn)和越來(lái)越熱。管將繼續成為弱直到它最終失敗，從而導致管的破裂。

盡管這樣的失敗與壽命的結束相關(guān)聯(lián)，電弧管可以在任何時(shí)候會(huì )失敗，因為看不見(jiàn)制造缺陷如顯微裂紋的甚至是新的時(shí)候，。然而，這是相當少見(jiàn)的。制造商通?！巴尽钡男聼魴z查這些缺陷燈離開(kāi)制造商的房舍之前。由于金鹵燈含有一顯著(zhù)高壓氣體(最多至50psi)，電弧管的失敗是不可避免暴力事件。電弧管的片段被發(fā)射，以極高的速度，在所有方向上，引人注目的有足夠的力在燈的外燈泡以使其斷裂。如果燈具沒(méi)有二級防護(如鏡頭，碗或屏蔽)，那么碎片極熱片會(huì )掉下來(lái)砸到人員和財產(chǎn)的光線(xiàn)之下，有可能造成嚴重傷害，損壞，并可能造成重大建筑火災如果易燃物質(zhì)存在。

金鹵燈鎮流器原理圖

為了確保金鹵燈不出現聲諧振，電子鎮流器一般工作于低頻方波狀態(tài)。傳統的低頻方波電子鎮流器包括3級結構：功率因數校正電路、降壓電路和全橋逆變電路。這種結構非常復雜而且造成了鎮流器的成本昂貴。簡(jiǎn)化電路、降低成本已經(jīng)成為如今研究的重點(diǎn)。一種方法就是把前兩級功率因數校正和降壓電路組成一級。這種方法可以減小鎮流器的體積，但是可能伴隨帶來(lái)的問(wèn)題就是降低了功率因數校正電路的表現，增加了開(kāi)關(guān)器件的應力等不利因素。另一種方法就是把降壓電路和逆變電路組合在一起。這種方法可以降低鎮流器的體積和成本，但是控制方法可能相對復雜。

組合降壓電路和半橋逆變電路在一起的方案是現在比較流行而且可行的方法。因為這種方式的電路相對最為簡(jiǎn)單，成本最低。為了促進(jìn)這種方案的廣泛應用，簡(jiǎn)化它的控制方法，克服這種電路的缺點(diǎn)，提高它的可靠性就成為研究的重點(diǎn)。

本文對此種電路提出了一種新型控制方法，并且提出一種簡(jiǎn)單有效的方法克服此電路在輸出電流換向時(shí)發(fā)生的電流過(guò)沖問(wèn)題，降低了波峰系數。

1 電路描述

電路的結構框圖如圖1所示。

2.電路工作模態(tài)的分析

S1、S2的門(mén)極信號如圖2所示。當S1工作于高頻狀態(tài)時(shí)，S2被斷開(kāi)。此時(shí)，電路等效于一個(gè)Buck電路，S1相當于主功率開(kāi)關(guān)，而S2的體二極管相當于Buck的二極管。兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)會(huì )以400Hz的一個(gè)頻率交替變化。這樣，就可以得到一個(gè)低頻的方波電流輸出供給燈。

二極管關(guān)斷時(shí)存在一個(gè)反向恢復問(wèn)題，這會(huì )大大增加器件的開(kāi)關(guān)損耗。為了避免這種情況的發(fā)生，我們讓電路工作在電流斷續狀態(tài)下。圖3是逆變級Buck電感電流的狀態(tài)示意圖。

當S1工作于高頻狀態(tài)而S2斷開(kāi)時(shí)，電路工作于3種工作模式。

1.模式1

S1開(kāi)通，電流流過(guò)C1、S1、Rs、燈、點(diǎn)火電感和Lc圖4是這種模式的等效電路圖。其中點(diǎn)火電感的電感量遠遠小于電感L的電感量，假設電容C上的電壓在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中保持不變，電感L上的電壓VL為

S1斷開(kāi)，由于電感電流不能突變，電流流過(guò)Rs、燈、點(diǎn)火電感、L、C2和D2o。圖5是此種模式的等效電路圖。電感L的電壓為

S1仍然處于斷開(kāi)狀態(tài)。但是電感￡的電流降為零。此時(shí)，電容C給燈提供能量，電流流過(guò)C、Rs、燈和點(diǎn)火電感。圖6是此種工作模式的等效電路圖。假設電容足夠大，電容上的電壓保持不變，我們能夠從式(1)、式(2)中得到輸出的燈電壓為（插圖）

式中：系數k1與電感電流下降時(shí)間有關(guān)，在圖3中有著(zhù)明確的表示。

當S1斷開(kāi)，S2工作于高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，電路的工作過(guò)程基本上和上面的分析一致。

根據上面的分析，在每半個(gè)低頻周期內半橋逆變電路可以等效為一個(gè)Buck降壓電路。從而一個(gè)半橋逆變電路既可以提供給燈一個(gè)合適的T作電壓又能使燈工作于低頻方波狀態(tài)。

1.2 閉環(huán)控制

因為金鹵燈的負阻特性，為此我們控制鎮流器的輸出呈現為電流源的特性，以保證燈的穩定工作。圖7是半橋電路的控制方法框圖。通過(guò)Rs采樣燈電流。采樣電阻Rs上的電壓是一個(gè)低頻的方波信號。首先通過(guò)運放l把這個(gè)信號放大，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)整流電路把這個(gè)交流的方波信號整流成直流，再經(jīng)過(guò)RC濾波后進(jìn)行PI調節，調節輸出為一個(gè)恒流源?？梢?jiàn)這種控制方法等效于DC/DC的控制方法，簡(jiǎn)單且有效。（插圖）

1.3 電流過(guò)沖

但是，這個(gè)電路存在一個(gè)嚴重問(wèn)題就是在每個(gè)輸出電流換向的瞬間會(huì )有很大的電流過(guò)沖。這樣的尖峰電流會(huì )大大降低燈的使用壽命。本文提出了一種簡(jiǎn)單有效的方法克服這個(gè)問(wèn)題。

圖8是半橋驅動(dòng)門(mén)極信號的產(chǎn)生電路，其中的D觸發(fā)器、兩個(gè)與門(mén)和兩個(gè)或非門(mén)組合在一起用來(lái)減小驅動(dòng)信號的占空比。而這個(gè)功能由控制腳(CP)來(lái)控制，當CP為高時(shí)，驅動(dòng)的占空比就可以減小為大約原來(lái)的一半。這樣我們就可以在每個(gè)輸出電流換向的瞬間給CP一個(gè)高電平，減小驅動(dòng)的占空比，以大大減小甚至消除過(guò)沖電流。圖9為一個(gè)簡(jiǎn)單CP控制信號的產(chǎn)牛電路。圖7為腳CP信號與低頻逆變信號的時(shí)序圖。（插圖）

2 實(shí)驗結果

采用上述控制方法的一個(gè)70W金鹵燈電子鎮流器樣機已經(jīng)完成。電路主要參數如下。

L="380" μH;

C=1μF;

Vo="200V";

fh="100" kHz;

f1=400Hz。

其中：fh為半橋電路驅動(dòng)的高頻和低頻頻率;

f1為半橋電路驅動(dòng)的低頻頻率。

圖11顯示了輸出電流換向時(shí)驅動(dòng)信號的變化。圖12為輸出電流換向時(shí)電感電流的變化，可以看到電流的過(guò)沖相當小。圖13為點(diǎn)火脈沖，由于點(diǎn)火是在低頻情況下進(jìn)行，所以點(diǎn)火成功率很高。圖14為燈正常工作時(shí)的電流和電壓波形，可以看出燈電流基本沒(méi)有電流過(guò)沖的情況發(fā)生。整機效率約為90%，波峰系數為1.1。（插圖）

金鹵燈鎮流器-MOS管應用方案

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