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HID灯用电子镇流器的控制规律策略 张卫平关晓菡刘元超赵徐森张东彦 北方工业大学绿色电源实验室(100041) 摘要本文针对HID灯的电气特性，提出了其控制规律及其实现方法。其主要贡 献为：(1)提出了自适应提供触发电压的技术，确保HiD灯安全触发；(2)提出了限制HID 灯起动瞬间的最大电流，以指数或近似指数的规律逐步减小电流和增加灯的耗散功率的 起动控制规律，确保bill)灯安全起动；(3)提出保持灯端电压与电流的乘积等于额定功率． 但以电流为主控量的恒功率控制技术，确保HID灯在稳态时恒功率运行。本文为HID灯用 电子镇流器提供了实用的控制策略。 关键词HID灯电气特性控制规律闳环反馈 1引言 众所周知，HID灯具有负增量阻抗特性，因此，不能直接与电网相连。在电 网与灯之间需要一个镇流器才能使其稳定工作。第～代镇流器为电磁镇流器。 这种镇流器输出电压的频率与电网相同，属于正弦低频供电T作方式。其主要 优点：最大输出的功率等级为24KW，技术成熟、可靠。主要缺点：频闪严重、 体积和重量太大、空载损耗大、功率因数低、钢材和铜材耗量大；第二代镇流 器是低频电子镇流器，它是以PWM型开关变换器为基础，采用了PFC、DCtDC 变换和DC／AC变换等三级结构，属于低频(小于300Hz)方波、恒功率供电工作方 式。它的主要优点是：无声共振现象，最大输出功率等级为18KW，消除频闪。 主要缺点是电路的环节太多、拓扑结构复杂、成本寓、效率低f85％左右)、EMI 大，只适用于某些特殊照明行业f如影视照明、军用机场照明等)，难以推广使用。 第三代镇流器是高频电子镇流器。它是以谐振变换器的理论为基硎}，采用 了PFC和DC／AC高频谐振变换等两级结构，属于高频(50kHz～150kHz)交流正弦 波供电工作方式。高频电子镇流器的结构框图如图t所示。图l中：(1)控制器 ①采用PWM控制，PFC电路为CCM或DCM工作模式，控制器①使得PFC电路 在输入电压范围90V一270V内，其输出电压为恒定的400V直流；(2)DC／AC谐振 变换器为HID灯提供一个高频、正弦波驱动功率信号．控制器②的控制量为电 流采样信号，通过高频调节，实现了稳态时的恒功率控制；(3)高￡E触发器在起 动时，为HID灯提供数万伏的高电．使碍灯管中的高压气体击穿且开始放电。 在中、低咧率等级的电子镇流器中．通常没有专门的高压触发器，而在起动过 45l 程中，由DC／AC谐振变换器产生高压触发电压。第三代镇流器是目前国内外研 究的热点问题之一。已报道的主要研究成果为：(丑1最大输出功率400W；(b)最 大效率为93％；(c)提高光效10～20％；(d)功率密度是第二代镇流器的两倍。总 之，第三代镇流器能够克服前两代镇流器几乎所有的缺点，但又诱发r新的问 题：系统r作j：稳定，无法根除声共振问题，难以产业化。 对第三代镇流器，目前采用了恒功率控制策略，如图1所示。控制器②的 控制量为DCIAC谐振变换器的输入电流信号。因为PFC电路输出电压为恒定的 400V直流，如果DC／AC谐振变换器的输入电流信号恒定，则DC／AC谐振变换器 的输出功率是恒定的，实现了恒功率控制。这个控制策略只适合HID灯的稳态 工作。其控制电路的核心是一个积分器。这种控制电路有如下特点：(a)静态控 制精度高；(b】响应速度慢；(c)无法满足HID不同工况的要求；(d)系统有可能 出现低频振荡。因此，需要研究的问题是，根据HID的不同工况，提出不同的控 制策略，使得系统在HID的任何工况下，都能可靠工作。 图1 HID灯用高频谐振变换系统的结构框图 图2给出了OSRAM公司生产的2500W金属卤化(MetalHalide，简称MH， 属HID灯一种)灯的低频电气特性。由图2可知：(1)MH灯的工作分为起动阶 段和稳态工作阶段；(2)MH灯具有非线性一时变特性；(3)由于MH灯的起动 时问较长，且无突变现象，在灯的起动阶段．镇流系统可认为是一个似稳态系 统。 盏 oo 80 o 2 4 6 g