1000WMH灯用高频电子镇流器的分析与设计

中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集1000WMH灯用高频电子镇流器的分析与设计张卫平1李红涛1刘元超11)北方工业大学绿色电源实验室，北京，100041摘要本文对1000WMH（MetalHalide，金属卤化物）灯用大功率高频电子镇流器进行了系统的分析，设计出1000WMH灯用高频电子镇流系统。主要贡献如下：（1）给出了一套完整的设计理论与方法,提供了镇流器主电路——LCC谐振逆变器关键参数的计算公式；（2）设计出控制电路及驱动电路，阐述了自动扫描提供触发电压技术的实现方法；（3）利用Pspice软件对主电路参数进行优化并完成电路设计，系统效率达到96.4%。本文设计的1000WMH灯用高频电子镇流器系统具有ZVS开关，低EMI，高效率，稳定性好等特点，所提供的设计方法具有良好的参考价值。关键词MH灯，镇流器，LCC谐振，声共振，ZVS。1.引言MH（MetalHalide，金属卤化物）灯具有负增量阻抗特性，因此在电网与灯之间需要一个镇流器才能使其稳定工作。MH灯用镇流器经历了电感式镇流器，低频电子镇流器，目前正向第三代高频电子镇流器发展。高频电子镇流器能够克服前两代镇流器几乎所有的缺点。但过高的工作频率又诱发了新的问题——声共振现象。目前，第三代高频电子镇流器的已有报道成果：输出功率400W，效率93％，光效提高10～20％[1]。本设计为基于克服声共振的高频电子镇流器，图1为1000WMH灯用高频电子镇流器的系统结构图，其交流输入范围为80～265V，PFC输出为350V。该系统不设专门的灯触发器，灯的触发由谐振逆变器完成。谐振逆变器采用LCC谐振电路。控制器II采用变频控制，其输入量为灯的电流与电压信号，输出为两路互为反相的信号，经隔离放大控制全桥电路的开关管。2.稳态工作频率的确定为了确保系统能够稳定工作，应尽量避免声共振现象带来的危害，设计中需要根据灯声共振频带来确定镇流器稳定工作频率的区域。参照等离子放电理论，当灯的声共振本征频率等于驱动周期功率信号频率的两倍时，将产生声共振现象。三种基本的本征频率由以下公式决定[2][3]：lcfL/5.0=，rcfL/61.0=，rcfL/29.0=其中，fL为基本纵向声共振频率；fR为基本辐射声共振频率；fA为基本方位角声共振频率；c为充填在放电管中气体的声速，l、r分别为放电管的长度与半径。声共振频率不仅包含上述三种基本的本征频率，而且还包括上述三种频的倍频频率及混合衍生频率。在本征频率点，声共振的相对强度较大。借鉴400W电子镇流器设计经验及相关的实验验证，我们给出1000W灯的稳定工作区域的经验值：100KHz～150KHz。本设计中给出以下假设：①稳态谐振点频率120KHz；②触发扫描起始频率450KHz；③MOSFET功率管IRF460的死区时间400ns；④PFC输出350V；⑤MH灯等效电阻R定义如下：稳态时R=64Ω；触发前R100KΩ；起动阶段R=8～64Ω；⑥灯稳态时的额定电压263V，额定电流4.1A。3.主电路设计镇流器的主电路为全桥驱动的LCC谐振逆变器，电路结构如图2所示，其中CpCs，S1~S4为理想开关，D1~D4为续流二极管，RLAMP为MH灯，其等效电阻记为R。触发前，灯相当于开路（1/jωCpR，ω工作角频率），逆变器工作于并联谐振状态，其工作频率北京市自然科学基金资助项目(资助号：4052011)图2LCC谐振逆变器原理图图1HID灯用电子镇流器结构框图中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集较高，能够提供高的输出电压，实现触发器的功能。当灯触发后工作在起动区和稳态区时，灯的等效电阻较小（1/jωCpR），此时逆变电路可认为工作于LCR串联谐振状态，其谐振频率基本由Cs和L决定，从而履行镇流器的功能。3.1触发阶段为了便于分析，定义如下变量：eqLC/10=ω，0/ZRQp=，eqCLZ/0=，pseqCCC//=，spnCCC/=，0/ωωω=n，其中ω0为并联谐振角频率。主电路的音频传函表达式如下：=inoVVspspssCLCRjLCCCRjRCj22)(1ωωωωω−−++整理得电压增益Gv：=vG()222422221)1()1(1)/11(nnnpnnnnnpnCCQCCCQωωωω−++⎥⎦⎤⎢⎣⎡+−+(1)对于电感上的电流有：)/1//(poLCjRVIω=，整理得：222)1(1npnoLCQjRVI++=ω(2)为确保灯被安全触发，参数设计必须保证主电路具有高的电压增益和较小的电感电流。在触发前，由于R开路，则Qp较大（Qp10）。利用Mathcad可以得出电压增益Gv分别与Cn，ωn的关系分别如图3，4所示。由图可知，当Cn减小或者1nω→时，Gv增大，根据式2电感电流也随之减小。为此，Cn值应尽量小，在本设计中选Cn=1/10。值得注意的是：由于触发电压是通过频率扫描实现的，即在灯触发前，工作频率ω逐渐向谐振点频率ω0靠近，直到逆变电路所提供的电压能使灯被触发为止，因此触发阶段的ωn是自动选择的。该技术称为自动扫描提供触发电压技术。3.2启动及稳态阶段为了便于分析，定义稳态时串联谐振角频率：1/LCisω=,重新定义/niωωω=。在启动和稳态阶段，由于R较小，此时Qp值远小于触发前的Qp值（Qp1），同时有1jωCpR，则音频传函可简化如下：inoVVLCRCjRCjsss21ωωω−+≅整理得：==inovVVG222)()1(pnnpnQQωωω+−(3)根据式3，电压增益Gv与ωn的关系如图5所示（Qp1）。要实现开关管的ZVS条件，LCC谐振逆变器必须工作在感性区域，即ωn1。为保证系统效率，同时确保电感电流昀小（参照式2），应使1nω→。值得注意的是，如果ωn过于接近1，系统在反馈调节时将有可能越过谐振点，故此我们选择ωn=1.05。此时，电压增益Gv分别与Qp的关系如图6所示。当PFC输出电压为350V，加在谐振逆变器两端电压的有效值约为315V,则谐振逆变器的稳态电压增益：Gv=263/315≈0.835参考图6可得：Qp≈0.15。由f0=120KHz,Cn=1/10，ωn=1.05及Qp≈0.15可得主电路参数如下：Cs=9.5nF，Cp=0.95nF，L=168uH。3.3参数优化：实际电路中，由1/LCs来表征稳态谐振频率ωi存在误差。同时为提高系统效率与功率因数，确保续流二极管所通过的电流昀小，使主电路的设计参数与实际情况更为接近，我们利用Pspice仿真软件对上述参数进行寻优处理，结果如表1所示。表中F0为稳态谐振点频率，Fs为稳态工作点频率，Vo为输出电压值，Ib为续流二极管电流值，IR为灯电流值，寻优后的主电路参数：Cs=10nF，Cp=1nF，L=180uH。00.51203040GvCn11.051.102040Gvωn图3电压增益Gv与Cn关系图4电压增益Gv与ωn关系11.051.10.60.81Gvωn00.20.40.60.81GvQp图5电压增益Gv与ωn关系图6电压增益Gv与Qp关系表1LCC逆变电路稳态Pspice仿真结果Cs(F)L(H)Cp(F)F0(Hz)Fs(Hz)Vo(V)Ib(A)QpIR(A)10n180u1n120.1K129K262.9345m0.1444.1中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集图9UC3861原理示意图利用上述结果，对LCC谐振电路仿真得到增益特性曲线如图7所示。其中曲线1为触发阶段增益特性。曲线2为稳态阶段增益特性。值得注意是，由于实际电路中开关管存在管压降，驱动信号存在死区，所以实际电路中加在谐振电路两端的电压有效值要低于315V，所以实际工作频率Fs（129KHz）要略低于图7所示的理想谐振电路工作点频率Fi（138.7KHz）。4.控制电路设计控制电路的设计包括信号的发生、隔离、放大及采样。LCC谐振变换器需要采用变频控制，信号的发生采用准谐振变换器控制芯片UC3861。如图8所示，由它产生两路宽度固定、频率可变的方波脉冲，再通过专用MOS管驱动芯片IR2110放大驱动开关管S1～S4。由于IR2110的悬浮电源采用自举电路，可以起到很好的隔离作用。UC3861部分结构如图9所示，单稳态脉冲发生器产生的信号经控制逻辑电路处理，调整谐振变换器开关管的关断时间，从而达到变频控制的目的。原理如下：反馈信号经误差放大器控制电阻Range上的电流IRange，致使镜像电流源Irange输出电流变化，从而改变电容CVCO的充电电流，达到改变压控振荡器频率的目的。UC3861输出信号的昀高频率、昀低频率及死区时间分别由下式决定：()vcoCRangeRf×=//3.3minmax;vcoCRf×=minmin3.4;RCTpw3.0(min)=为实现自动扫描提供触发电压，需要对谐振电路实施变频控制，控制电路需具备软启动功能。软启动部分的等效电路为图10所示，其中1，3，16分别代表UC3861的1，3，16管脚,阴影部分为UC3861内部结构,其余部分为外围电路。仿真结果如图11所示，图中V(3)，V(16)分别描述UC3861管脚3与管脚16的电压变化。当V(3)缓慢上升时，VCO的振荡频率由大至小逐渐变化，逆变器的输出电压也随之逐渐升高，直至输出电压等于或略高于灯的触发电压，实现灯的安全触发。软起动时间tsoft可由下式确定:Ω×=KCtsrsoft2.9式中Csr为16脚对地等效电容。计算得tsoft=4.6ms。隔离驱动部分采用IR2110完成，它兼有光耦隔离和电磁隔离的优点，并且具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达600V，工作频率可达500kHz，输出峰值电流约为2.5A。5.仿真及试验结果基于以上分析，我们设计出相应的主电路及控制电路，并对整个系统进行软件仿真和测试实验。仿真结果与试验结果分别如图12-15所示。图12是控制电路的实验波形。在灯稳态特性的仿真与实验中，我们用纯阻性负载代替MH灯[4]。灯端电压与电流波形的仿真结果如图13所示，试验结果如图14所示，其中曲线幅值较大者为灯端电压波形。仿真图与实验图中的灯电压均为265V左右，电流值约为3.9A，灯稳态时的仿真与试验数据十分吻合。图15为主电路开关管电压与电流的试验结果，其中方波代表开关管端电压。图8控制电路结构示意图图7LCC逆变器电压增益Pspice仿真结果100kR2R1C1C20.1u5V05.1V16113200.5mA图10UC3861软起动部分原理图0s4.0ms8.0msV(16)V(3)0V2.5V5.0VV(3)V(16)(4.6114m,2.5101)图11软起动Pspice仿真结果中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集试验波形显示开关管工作在良好的ZVS状态。图12控制电路输出信号试验波形800us810us820us830us840usV(3,4)/35-I(Rload)-10010图13稳态时灯电压与灯电流波形试验结果图14稳态时灯电压与灯电流波形Pspice结果图15开关管电压与电流试验波形6.结论MH灯具有光效高,显色性好,寿命长，光谱频带宽，汞含量小等特点，使得其受到了越来越多的应用。第三代MH灯用高频电子镇流器较电磁镇流器和低频电子镇流器，不仅在效率、功率密度等方面有着明显的优势，而且铜耗、铁耗也非常小，节约材料成本，已成为目前研究的热点。MH灯的声共振现象是镇流器设计中必须考虑的难点。通过对高频电子镇流系统的深入分析，本文提供了一套完整的设计思路以及相应的分析方法。依据该方法，计算出LCC谐振逆变器的电路参数和控制电路的关键参数，并利用Pspice仿真软件对相关参数进行优化，设计出合理的主电路和控制电路，从而成功研制出1000WMH灯用高频电子镇流系统。该系统电气特性良好，具有效率高、功率因数高，EMI低，ZVS开关等优点。经实验测试表明，实测数据与仿真数据十分吻合，验证了理论