金鹵燈鎮(zhèn)流器 MOS管應(yīng)用、設(shè)計方案等介紹及工作原理詳解-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-08-23
金屬鹵化物燈(以下簡稱金鹵燈）是一種氣體放電燈，通過一個產(chǎn)生光電弧通過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)。它是一種類型的高強度放電(HID)氣體放電燈。在20世紀(jì)60年代開發(fā)的，它們類似于汞蒸氣燈，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(dá)其運行溫度時，鈉從碘離解，添加橙色和紅色從鈉D線的燈的光譜作為金屬電離。其結(jié)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。由于采用的最有效的來源之一CRI白光，金屬鹵化物在2005年進(jìn)行了照明行業(yè)中增長最快的領(lǐng)域。它們用于廣區(qū)頂部照明商業(yè)，工業(yè)和公共場所，如停車場，運動場，工廠和零售商店，以及住宅的安全照明和汽車前大燈(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，以篩選出一個較大的玻璃燈泡內(nèi)的紫外光產(chǎn)生的。它們在之間的壓力下操作圖4和20個大氣壓，以及需要特殊的夾具安全地操作，以及電鎮(zhèn)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(yù)熱期達(dá)到全光輸出。
由于高CRI白光的最有效的來源之一，金屬鹵化物在2005年是照明行業(yè)中增長最快的領(lǐng)域。它們用于廣域頂燈商業(yè)，工業(yè)和公共場所，如停車場，運動場，工廠和零售商店，以及小區(qū)保安照明和汽車前大燈(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。
電子鎮(zhèn)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(fù)電阻特性; 也就是說，只要通過燈泡的電流增加時，電壓兩端減小。如果燈泡是從一個恒壓源供電，如直接從交流布線，電流將增加，直到燈泡破壞本身; 因此，鹵化物燈泡需要電鎮(zhèn)流器限制電弧的電流。
有兩種類型：
電感鎮(zhèn)流器 -許多裝置使用一個電感鎮(zhèn)流器，也被稱為磁鎮(zhèn)流器，類似于那些與所用的熒光燈。這包括一個鐵芯的電感器。電感器提供了一個阻抗AC電流。如果通過燈的電流增加，電感減少，以保持電流受限的電壓。電子鎮(zhèn)流器 -這些更輕，更緊湊。它們由一個的電子振蕩器，其產(chǎn)生高頻電流以驅(qū)動燈。因為他們有比電感鎮(zhèn)流器低電阻損失，他們是更節(jié)能。然而，高頻率操作不增加燈效率作為熒光燈。
脈沖啟動的金鹵燈泡不包含起始電極，它撞擊弧，并且需要的點火器，以產(chǎn)生一個高電壓(1-5千伏冷擊，用在熱重燃30千伏)脈沖來啟動弧。電子鎮(zhèn)流器包括在一個包中的點火器電路。美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(ANSI)的燈鎮(zhèn)流器系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)建立的所有的金屬鹵化物組分的參數(shù)(與一些較新的產(chǎn)品除外)。
自鎮(zhèn)流燈截至2012年，有幾家公司已經(jīng)開始提供自鎮(zhèn)流金鹵燈直接取代白熾燈和自鎮(zhèn)流水銀燈。這些燈包括具有起動電極的電弧管，以及一個管狀的鹵素?zé)?，其連接在串聯(lián)和用于調(diào)節(jié)在弧光管的電流。電阻提供限制的起始電極的電流。像自鎮(zhèn)流汞汽燈，自鎮(zhèn)流金鹵燈直接連接到主電源，并且不需要外部鎮(zhèn)流器。與此相反的前，這些燈通常具有明確的外部燈泡沒有涂層，使得在電弧管和鹵素?zé)艄茱@然從外部可見的。
色溫
由于所產(chǎn)生的更白，更自然光，金鹵燈最初首選的藍(lán)色水銀燈。隨著引進(jìn)專業(yè)化金屬鹵化物混合物，金鹵燈，現(xiàn)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(jù)燈泡已被燒毀，100小時(調(diào)味)之后的顏色被測量的ANSI標(biāo)準(zhǔn)。較新的金屬鹵化物的技術(shù)，被稱為“脈沖啟動”，具有改善的顯色性和更可控的開爾文方差(±100至200開爾文)。
金鹵燈的色溫也可以通過電氣系統(tǒng)的供電在燈泡本身的燈泡和制造差異的電特性的影響。如果一個金鹵燈泡是因為較低的動力不足，操作溫度，其光輸出將是因為汞的單獨的蒸發(fā)的藍(lán)色。這種現(xiàn)象可以升溫期間中可以看出，當(dāng)弧光管尚未達(dá)到整個工作溫度和鹵化物還沒有完全蒸發(fā)。它也與調(diào)光鎮(zhèn)流器非常明顯的。逆是真實的一個燈泡過于強大，但是，這個條件可能是危險的，可能導(dǎo)致電弧管爆炸，因為過熱和過壓。
啟動和預(yù)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始產(chǎn)生其充分的光量，因為在內(nèi)側(cè)弧室中的溫度和壓力所需要的時間來達(dá)到完全的操作水平。啟動初始?xì)寤『?或氙汽車)有時需要幾秒鐘，(取決于燈泡類型)的預(yù)熱期可長達(dá)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，甚至簡單地說，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;與正常的點火器的5-10分鐘冷卻期將要求可重新啟動燈之前，但具有特殊點火器而特別設(shè)計的燈，電弧可以立即重新建立。在沒有瞬間重燃能力燈具，電源的瞬間損失可能意味著沒有光線幾分鐘。為安全起見，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間比開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(yīng)力和機械振動。隨著燈的老化電弧管變色，吸收光線和越來越熱。管將繼續(xù)成為弱直到它最終失敗，從而導(dǎo)致管的破裂。
盡管這樣的失敗與壽命的結(jié)束相關(guān)聯(lián)，電弧管可以在任何時候會失敗，因為看不見制造缺陷如顯微裂紋的甚至是新的時候，。然而，這是相當(dāng)少見的。制造商通常“旺季”的新燈檢查這些缺陷燈離開制造商的房舍之前。由于金鹵燈含有一顯著高壓氣體(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。如果燈具沒有二級防護(hù)(如鏡頭，碗或屏蔽)，那么碎片極熱片會掉下來砸到人員和財產(chǎn)的光線之下，有可能造成嚴(yán)重傷害，損壞，并可能造成重大建筑火災(zāi)如果易燃物質(zhì)存在。
為了確保金鹵燈不出現(xiàn)聲諧振，電子鎮(zhèn)流器一般工作于低頻方波狀態(tài)。傳統(tǒng)的低頻方波電子鎮(zhèn)流器包括3級結(jié)構(gòu)：功率因數(shù)校正電路、降壓電路和全橋逆變電路。這種結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜而且造成了鎮(zhèn)流器的成本昂貴。簡化電路、降低成本已經(jīng)成為如今研究的重點。一種方法就是把前兩級功率因數(shù)校正和降壓電路組成一級。這種方法可以減小鎮(zhèn)流器的體積，但是可能伴隨帶來的問題就是降低了功率因數(shù)校正電路的表現(xiàn)，增加了開關(guān)器件的應(yīng)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(zhèn)流器的體積和成本，但是控制方法可能相對復(fù)雜。
組合降壓電路和半橋逆變電路在一起的方案是現(xiàn)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單，成本最低。為了促進(jìn)這種方案的廣泛應(yīng)用，簡化它的控制方法，克服這種電路的缺點，提高它的可靠性就成為研究的重點。
本文對此種電路提出了一種新型控制方法，并且提出一種簡單有效的方法克服此電路在輸出電流換向時發(fā)生的電流過沖問題，降低了波峰系數(shù)。
1 電路描述
電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
2.電路工作模態(tài)的分析
S1、S2的門極信號如圖2所示。當(dāng)S1工作于高頻狀態(tài)時，S2被斷開。此時，電路等效于一個Buck電路，S1相當(dāng)于主功率開關(guān)，而S2的體二極管相當(dāng)于Buck的二極管。兩個開關(guān)管的工作狀態(tài)會以400Hz的一個頻率交替變化。這樣，就可以得到一個低頻的方波電流輸出供給燈。
二極管關(guān)斷時存在一個反向恢復(fù)問題，這會大大增加器件的開關(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(xù)狀態(tài)下。圖3是逆變級Buck電感電流的狀態(tài)示意圖。
當(dāng)S1工作于高頻狀態(tài)而S2斷開時，電路工作于3種工作模式。
1.模式1
S1開通，電流流過C1、S1、Rs、燈、點火電感和Lc圖4是這種模式的等效電路圖。其中點火電感的電感量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電感L的電感量，假設(shè)電容C上的電壓在每個開關(guān)周期中保持不變，電感L上的電壓VL為
S1斷開，由于電感電流不能突變，電流流過Rs、燈、點火電感、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仍然處于斷開狀態(tài)。但是電感￡的電流降為零。此時，電容C給燈提供能量，電流流過C、Rs、燈和點火電感。圖6是此種工作模式的等效電路圖。假設(shè)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(shù)k1與電感電流下降時間有關(guān)，在圖3中有著明確的表示。
當(dāng)S1斷開，S2工作于高頻開關(guān)狀態(tài)時，電路的工作過程基本上和上面的分析一致。
根據(jù)上面的分析，在每半個低頻周期內(nèi)半橋逆變電路可以等效為一個Buck降壓電路。從而一個半橋逆變電路既可以提供給燈一個合適的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(fù)阻特性，為此我們控制鎮(zhèn)流器的輸出呈現(xiàn)為電流源的特性，以保證燈的穩(wěn)定工作。圖7是半橋電路的控制方法框圖。通過Rs采樣燈電流。采樣電阻Rs上的電壓是一個低頻的方波信號。首先通過運放l把這個信號放大，然后經(jīng)過一個整流電路把這個交流的方波信號整流成直流，再經(jīng)過RC濾波后進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)輸出為一個恒流源?？梢娺@種控制方法等效于DC/DC的控制方法，簡單且有效。（插圖）
1.3 電流過沖
但是，這個電路存在一個嚴(yán)重問題就是在每個輸出電流換向的瞬間會有很大的電流過沖。這樣的尖峰電流會大大降低燈的使用壽命。本文提出了一種簡單有效的方法克服這個問題。
圖8是半橋驅(qū)動門極信號的產(chǎn)生電路，其中的D觸發(fā)器、兩個與門和兩個或非門組合在一起用來減小驅(qū)動信號的占空比。而這個功能由控制腳(CP)來控制，當(dāng)CP為高時，驅(qū)動的占空比就可以減小為大約原來的一半。這樣我們就可以在每個輸出電流換向的瞬間給CP一個高電平，減小驅(qū)動的占空比，以大大減小甚至消除過沖電流。圖9為一個簡單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序圖。（插圖）
2 實驗結(jié)果
采用上述控制方法的一個70W金鹵燈電子鎮(zhèn)流器樣機已經(jīng)完成。電路主要參數(shù)如下。
L="380" μH;
C=1μF;
Vo="200V";
fh="100" kHz;
f1=400Hz。
其中：fh為半橋電路驅(qū)動的高頻和低頻頻率;
f1為半橋電路驅(qū)動的低頻頻率。
圖11顯示了輸出電流換向時驅(qū)動信號的變化。圖12為輸出電流換向時電感電流的變化，可以看到電流的過沖相當(dāng)小。圖13為點火脈沖，由于點火是在低頻情況下進(jìn)行，所以點火成功率很高。圖14為燈正常工作時的電流和電壓波形，可以看出燈電流基本沒有電流過沖的情況發(fā)生。整機效率約為90%，波峰系數(shù)為1.1。（插圖）
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