汽车头灯电子镇流器的设计报告.doc

优质文本基于新型小功率汽车头灯电子镇流器的设计报告目 录绪论31 电子镇流器的概述41.1 电子镇流器概念41.2 交流电子镇流器的组成及其优点41.2.1 交流电子镇流器的组成41.2.2 交流电子镇流器的优点51.3 电子镇流器的开展62 一种数字化小功率金卤灯电子镇流器的研究82.1 拓扑结构、工作方式及控制策略82.2 仿真及实验结果112.3 结论13结束语14参考文献15插图索引图1 电子镇流器组成方框图4图2 荧光灯光效随频率变化曲线图5图3 主电路的拓补结构8图4 并联负载谐振电路8图5 ur和逆变电路fc的关系9图6 半桥双Buck电路10图7 控制程序框图10图8 不同状态下的仿真结果12图9 稳态是MOSFET的ugVQ1和ugVQ2波形13 绪论现在，汽车头灯电子镇流器还存在的体积大，设计本钱高，复杂等问题，现在较多的使用在高档的汽车场合。所以，开发高性能、低本钱的汽车头灯电子镇流器具有巨大的研究意义与实际价值，具有着相当好的应用前景。20世纪80年代，有精确尺寸的低功率小型石英金属卤化物灯在设计和生产两方面都获得了突破。同时，随着人们生活及交往节奏的加快和高速公路的建成，要求不断改善汽车夜间驾驶的平安性，为此需要有良好的前照灯视觉构造，因此世界各国开始用小功率氙金属卤化物灯代替常规的卤钨灯作为汽车前照灯的光源。通过在灯中充入几个大气压的高压氙气作为启动气体来满足汽车前照灯瞬时发光的要求。目前，高强度汽车头灯电子镇流器系统是研究热点之一，但是这种电子镇流器设计复杂，价钱昂贵，且体积较大，只适用于高端汽车等应用场合。显然，假设能减小其体积和本钱，其需求量将大量上升，因此有着相当好的应用前景！高强度气体放电灯由于它的发光效率高、色温好、寿命长等优点，已经被广泛地应用于广场、道路照明等场合。而其中的金属卤化物灯由于拥有诸多优点更被认为是最好的人造光源之一。但是，由于金卤灯的负阻特性和特殊的启动要求，必须和与之相匹配的镇流器共同使用。而金卤灯是一种第三代电光源，因其光效高，寿命长，在绿色照明中扮演了越来越为重要的角色。电子镇流器作为一种节能照明电器，已成为实施绿色照明的重点内容之一。比照于传统的电感式镇流器，电子镇流器有着许多优点，对它的研究和开发也是电力电子行业的一大热点。如电子镇流器的体积和重量大大减小，能够提高网侧电能质量，改善照明质量。但是，现在市场上普遍应用的是电感镇流器，主要原因是结构简单，可靠性高，价格廉价。因此，对金卤灯电子镇流器的开发提出了更高的要求，即必须满足能可靠地启动金卤灯；提供恒定的额定功率；必须消除声谐振现象；具有保护功能。本文首先提出了采用模拟控制的汽车头灯电子镇流器；介绍了其根本原理和设计方法，它包括根本电路结构和主电路拓扑的选择。此外，由于疝灯的启动暂态过程极其复杂，因此如何较好地完成灯启动过程的控制是一个难点。文中给出了其恒功率切换及点火控制方案。最后，通过汽车头灯电子镇流器的样机制作，较好地完成了包括恒功率环切换，较高点火电压等灯从启动到稳定的各个控制任务。然后采用数字控制，研究了一种新型的具有异常状态自动保护和稳态灯功率闭环的小功率金卤灯电子镇流器，分析其电路结构、工作原理和控制程序。启动阶段采用并联负载谐振电路，稳态阶段采用半桥双Buck电路。采用3次谐波谐振方式可以降低启动电流，采用启动电压限幅值控制滑频截止点可以克服元件参数离散性的影响。采用低频方波方式可有效抑制稳态的声谐振。仿真及实验结果证明了该电路的有效性。本文通过模拟控制和数字控制两种方法对汽车头灯电子镇流器进行了设计与研究，并指出了其中的优点和缺点，新型的金卤灯电子镇流器的优越性，必将取代传统的电感镇流器。目前在技术上的难点有如怎么让电子镇流器结构设计的简单，本钱低一些，启动过程中的控制等等，还有待进一步的研究和设计！1 电子镇流器的概述1.1 电子镇流器概念镇流器是气体放电灯用于启动和限流的控制器件,由于气体放电灯具有负伏安特性,要配以镇流器来启动灯的放电和限定灯内 惰性气体电离升温并使水银蒸气压上升,当电子轰击汞蒸气放电后生成的紫外线激发荧光灯而发光,启动完成后镇流器起限流器的作用,使灯开始正常工作。1.2 交流电子镇流器的组成及其优点1.2.1 交流电子镇流器的组成交流电子镇流器是将工频50/60Hz交流电变成较高频率的交流电，并能使一个或几个荧光灯正常启动和稳定工作的变换器。交流电子镇流器的核心就是高频变换电路。交流电子镇流器的根本功能方框图如图1所示。图1 电子镇流器组成方框图在图1中，工频50/60Hz市电电压在整流之前，首先经过射频干扰RFI滤波器滤波。RFI滤波器一般由电感L和电容C元件组成，用来阻止镇流器产生的高次谐波 反应到输入交流电网，以抑制对电网的污染和对电子设备的干扰，同时也可以防止来自电网的干扰侵入到电子镇流器。对于高品质的电子镇流器，在其全桥整流器与大容量的滤波电解电容器之间，往往要设置一级功率因数校正PFC升压型变换电路。其作用就是获得低电流谐波畸变，实现高功率因数。DC/AC逆变器的功能是将直流电压变换成高频电压。高频变换局部的核心是功率开关元件。可作为开关使用的晶体管有双极型功率管、金属一氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、静电感应晶体管SIT和绝缘栅双极型晶体管IGBT等。逆变电路的开关频率一般为2050KHz，输出波形取决于电路结构的选择。DC/AC逆变电路主要是半桥式逆变电路型式。高频电子镇流器的输出级电路通常采用LC串联谐振网络。灯的启动必须通过LC电路的发生串联谐振，利用启动电容两端产生的高压脉冲将灯引燃。在灯启动之后，电感元件对灯起限流作用。由于电子镇流器开关频率达几十千赫兹，故电感器只需很小体积即可胜任。为使电子镇流器平安可靠地工作，还要设计辅助电路。有的从镇流器输出到DC/AC逆变电路引入反应网络，通过控制电路以保证与高频产生器频率同步化。目前比拟流行的异常状态保护电路，是将电子镇流器的输出信号采样，一旦出现灯开路或灯不能启动等异常状态，那么通过控制电路使振荡器停振，关断高频变换器输出，从而实现保护功能1。1.2.2 交流电子镇流器的优点与长期使用电感式亦称电磁式镇流器比拟，电子镇流器具有如下突出优点：1节电效果显著。电子镇流器的节电特征主要表现在以下三个方面：1增加光输出，提高灯光效。事实上，影响荧光灯光效的许多因素是由设计者和制造者决定的，用户无法控制。但荧光灯的发光效率受供电频率的影响，而该因素是可以控制的。对一些荧光灯的研究发现，荧光灯交流供电频率从50Hz增加到20KHz以上时，灯光效一般可提高10%。在输入功率不变的前提下，荧光灯光效随频率f变化曲线如图2所示。很显然，对于同样的光输出，采用电子镇流器取代电感镇流器后，输入功率可以减小。图2 荧光灯光效随频率变化曲线图2自身功耗低。各种气体放电灯电感镇流器功耗一般约为灯功率的20%。40W荧光灯电感镇流器一般为8W，只要不大于9W即可符合产品标准要求。而这种灯用的电子镇流器功耗可低至4W以下。对于双管58W、1500mm飞利浦出品的节能型荧光灯，当采用电感镇流器时，那么需要2只，每只镇流器功耗达13W，两只那么为26W。但假设采用电子镇流器，只需要一个那么可驱动与控制2只灯，镇流器功耗仅约8W。毫无疑问，双管及双管以上荧光灯采用电子镇流器后，节电效果更加明显。双管荧光灯电子镇流器电路与单管荧光灯电子镇流器电路比拟，不同点只不过是在DC/AC逆变器输出端多并接一个LC串联支路。在电子镇流器自身损耗相同的情况下，灯功率愈大，节能效果那么愈显著。3具有高功率因数。大家知道，荧光灯采用电感镇流器，功率因数一般仅为0.50.6。而采取功率因数校正措施的电子镇流器，系统功率因数很容易到达0.9以上,甚至能到达非常接近于1的水平,这是采用电感镇流器难以实现的。线路功率因数的提高，在同样的发电和变电设备条件下，能够有效地提高供电能力和电源利用率，改善供电质量，节约大量的电能。2体积小、重量轻、无闪烁、无躁声。在工频条件下使用的电感式镇流器，大而笨重，要消耗掉大量的钢材和铜材，而且会使灯产生频闪效应，还会发出令人烦恼的蜂音。电子镇流器在20KHz以上的高频下工作，消除了躁声和灯闪烁现象，防止了对人的噪音干扰和眼疲劳。在高频下电子镇流器只需采用很小的磁性元件，使重量大为减轻。16W2D型节能灯电感镇流器重约400克，而该灯电子镇流器仅约40克。40W荧光灯电感镇流器约重900克，而相应的电子镇流器仅重150200克。电子镇流器体积的缩小，自镇流荧光灯实现了灯和镇流器一体化，使用E27螺口灯头或B22卡口灯头，与白炽灯座通用，能直接替换白炽灯，安装与更换十分方便。3在较低的电源电压下可使荧光灯启动。电感镇流器在电网电压降至190V以下时，那么不能将灯启动。目前我国电力供求矛盾仍然比拟突出，在很多地区，尤其是广阔农村，线路电压往往远低于220V的额定值。在用电顶峰期，交流供电电压低于160V的情况经常发生。很多用户因使用电感镇流器，由于在较低电压下不能将灯点燃是常感到恼火。而采用电子镇流器，即使电源电压降至130V，在室温下仍可以正常点燃。电子镇流器的这一特点，在我国倍受用户青睐2。4汽车头灯使用卤化物灯的优点汽车前照灯应用小功率金属卤化物灯有如下许多优点其性能超过过去袭用的卤钨灯：1 汽车前照灯的功率损耗降低。 2体积大大减小，可显著改善汽车空气动力学性能，有利于高速驾驶。3光输出和光源亮度大大增加，使照射可见区域增大，道路及障碍视见度提高。4 延长了灯的使用寿命，降低了光输出的衰退速度，从而改善了交通平安性，同时降低了维护和保险费用。1.3 电子镇流器的开展由于高频电子镇流器较之工频电感镇流器具有一系列优点，故自其问世以后，在世界范围内尤其是在一些工业兴旺国家中迅速得到推广应用。微电子技术突飞猛进地开展，促进了高频电子镇流器性能及可靠性的不断提高。世界很多著名半导体厂商，都看准了电子镇流器所面临的巨大商机，争先恐后地推出了电子镇流器专用功率开关器件和控制集成电路IC系列产品，使电子镇流器在技术上不断得到创新。就电子镇流器用功率开关器件来说，不仅有高压高速双极型晶体管，而且还有各种MOSFET和IGBT等场控型功率器件可供选用，并且日益显示出其优越性。80年代初，飞利浦公司采用120余只元器件，开发了BHF132H12单管32W及BHF232H12型32W双管荧光灯电子镇流器。这种镇流器是迄今利用分立元器件设计的功能最完善的代表性产品。1984年，西门子公司以高频电子镇流器中采用分立元器件设计的有源功率因数校正APEC电路为根底，率先开发出TDA4812等APFC控制器IC，并成功地应用到电子镇流器中，使系统功率因数达0.99以上。从80年代中期开始，尤其是90年代，由于电子镇流器的IC系列品种繁多。除了APEC控制器IC外，还有高压高速自振荡驱动IC、自振荡驱动模块和集PFC、预热启动、自振荡驱动、可调光与各种保护功能于一身的IC系列产品。这些新器件的不段出现，使电子镇流器的性能价格比日益提高。高频电子镇流器不仅用于荧光灯，而且在进入1990年后，开始用于高压钠HPS灯和金属卤化物灯等高强度放电HID灯。各种应急灯和霓虹灯电子变压器，实际上其核心是高频电子镇流器电路。电子镇流器在各种气体放电灯的应用中，量最大的那么是自镇流荧光灯。目前在自镇流荧光灯中，电子镇流器几乎全部取代了电感镇流器3。电子镇流器是一种与气体放电灯配套使用的新型节能电子产品，绿色照明产业在世界范围内的蓬勃兴起，为电子镇流器的推广使用提供了良好的机遇。大家知道，绿色是大自然的本色，它象征春天，同时又表示清洁宁静。人们常常以绿色向往回归大自然。所谓绿色照明，是在保证和改善照明质量的前提下，节约照明用电，减少因发电产生的SO2、CO2、NO2等废气和尘埃，到达保护环境之目的。显而易见，绿色照明的核心就是节电。能源消耗与环境保护是当今世界共同关注的热点。1992年，美国环境保护署在照明领域首先发起实施“绿色照明，获得兴旺国家的积极响应。我国在1996年也正式决定实施“绿色照明工程。电子镇流器作为一种节能照明电器，自然成为实施绿色照明的重点内容之一。由于我国半导体器件生产厂家未能及时为电子镇流器的开发提供令人满意产品，我国早期开发电子镇流器的技术起点又非常低，故与兴旺国家比拟，国产电子镇流器存在较大差距。目前该产品在我国并未完全解决在技术性能和可靠性等方面存在的问题。尤其是对高强度大功率放电灯电子镇流器来说，仍未进入实用阶段。但随着绿色照明工程的实施，国产电子镇流器的技术水平必将迅速提高，并会在国际市场的竞争中，占有一席之地。高频电子镇流器正在向集成化、模块化、多功能、高可靠、长寿命和大功率方向开展，它与各种新型电光源正在形成充满生机的新兴产业。2 一种数字化小功率金卤灯电子镇流器的研究研究了一种新型的具有异常状态自动保护和稳态灯功率闭环的小功率金卤灯电子镇流器，分析其电路结构、工作原理和控制程序7。启动阶段采用并联负载谐振电路，稳态阶段采用半桥双Buck电路。采用3次谐波谐振方式可以降低启动电流，采用启动电压限幅值控制滑频截止点可以克服元件参数离散性的影响。采用低频方波方式可有效抑制稳态的声谐振。仿真及实验结果证明了该电路的有效性。2.1 拓扑结构、工作方式及控制策略图3 主电路的拓补结构图4 并联负载谐振电路图9示出设计的电子镇流器的主电路拓扑结构8。其启动阶段及稳态工作阶段分别采用半桥并联负载谐振Parallel Load Resonant，简称PLR电路和半桥双Buck电路。在金卤灯启动前，由于电弧管中填充的惰性气体未电离，灯处于高阻抗状态，可近似认为是开路的。在启动阶段，图1中的Relay断开，开关管VQ1和VQ2加互补的高频驱动信号。图10示出PLR电路。并联的谐振电容Cp和谐振电感L(L1和L2之和)在高频交流电压驱动下谐振，从而在Cp两端产生高电压。这时，谐振变换电路所加的驱动电压为交流方波，幅值是直流母线电压Ubus的50%。它的傅里叶级数展开式为： 1PLR电路的固有谐振频率为： 2图5 ur和逆变电路fc的关系图11示出谐振电压ur和逆变电路开关频率fc的关系。从高频向低频，fc越接近fz，Cp上的谐振电压ur的幅度越大。PLR电路的输入电压是富含奇次谐波的方波电压。如果方波电压的基波频率高于电路的fz，那么设计时可只考虑基波而忽略高次谐波的影响；如果方波电压的基波频率低于电路的fz，那么必须考虑高次谐波频率的影响，谐波谐振可能成为ur的主要局部。本文采用3次ur谐振，有效减小了启动时串联电感中的电流，提高了功率电路的可靠性。此外，采用在谐振峰的右侧从高向低滑频，谐振电路工作在感性区，可实现VQ1，VQ2的零电压开通，减少MOSFET的开关损耗。由于参数的离散性，设计的谐振峰图11的曲线2可能向左图11的曲线3或向右图11的曲线1偏移。如果靠设定滑频截止点控制启动过程，当谐振峰向左偏移时，到达滑频截止点时，ur可能仍然无法把灯点亮；当谐振峰向右偏移时，启动过程可能滑过谐振峰，产生过高的ur，损坏功率开关。所以，可通过设定启动电压ug限幅值控制滑频的截止点。当滑频产生的高压到达电压限幅值，即所需的高压时，自动停止滑频。灯点亮后，灯由原来的高阻特性转变为低阻性。待灯弧稳定，灯功率到达设定值，图9中的Relay闭合，采用的驱动信号变为具有高频调制的低频方波信号。此时，电路结构和工作模式具有明显的对称性，在低频开关周期内具有Buck电路的工作特点，图12示出半桥双Buck电路结构。其灯电压u0和灯电流io都是低频方波信号，可有效抑制灯声谐振现象。因为当小功率金卤灯的伏安特性为阻性时，同时正负交替变化的方波uo和io使灯功率中没有交流成分，从而不能激发声谐振9。图6 半桥双Buck电路设计的电子镇流器以FREESCALE的8位单片机为控制核心，通过检测灯端电压uc和直流母线电流实现灯功率闭环控制和保护功能，当灯端出现开路、短路等异常状态时镇流器可进行自动保护。图13示出控制程序框图。启动时，控制电路输出互补的高频方波信号控制 VQ1，VQ2的通断，频率从高向低滑动，uc逐渐升高，通过设定uc的限幅值来控制滑频的截止点。当uc突然降落，并低于设定的判断值时，说明灯弧管里的气体电离，进入单频暂态过渡；当灯功率到达设定值，说明灯已经点亮，满足了切换条件；当Relay闭合时，电路从并联负载谐振切换到半桥双Buck电路结构，控制电路输出具有高频调制的低频方波信号，并进行稳态功率闭环控制。半桥双Buck电路的输入端是400V的Ubus，因此通过对母线电流的采样就能实现对灯功率的近似控制。如果在过渡过程或稳态控制阶段发生灯端开路或短路故障，那么可自动封锁功率电路输出，进入延时保护状态10。图7 控制程序框图2.2 仿真及实验结果根据上述分析，并针对OSRAM的70W金卤灯设计了电子镇流器，进行了仿真和实验验证。图8 不同状态下的仿真和实验结果假设使无辅助电极的小功率金卤灯启动，脉冲幅度应在17kV以上。图14a示出采用Pspice仿真得到的电子镇流器启动时的灯端电压uc和电感电流iL仿真波形；图14c示出用Tek-1389C示波器采集到的电子镇流器启动时的uc和iL实验波形。可见，采用的3次谐波滑频点灯方式输出的电压幅值可达2.5kV，可以提供足够的启动电压。图14b示出采用Pspice仿真得到的稳态时的灯电压uo和灯电流io仿真波形；图14d示出用Tek-1389C示波器采集到的电子镇流器稳态时的uo和io实验波形。可见，uo和io均接近频率为100Hz的低频方波，此时灯端功率近似为恒定值，能保证金卤灯的稳定工作，有效抑制了声谐振现象。图15示出稳态时MOSFET的驱动电压信号ugVQ1和ugVQ2波形。ugVQ1和ugVQ2在一个低频工作周期内都可分成高频驱动和低频封锁两个阶段，并且这两个状态在VQ1和VQ2中交替出现。在前半个工作周期内，驱动VQ1高频开关工作，而VQ2处于封锁状态；在后半个工作周期内，驱动VQ2高频开关工作，VQ1处于封锁状态。图9 稳态是MOSFET的ugVQ1和ugVQ2波形 2.3 结论研究的70W小功率金卤灯电子镇流器具有异常状态自动保护和稳态灯功率闭环控制。采用并联负载谐振电路和启动电压幅值限制可克服元件参数离散性对启动过程的影响，可保证灯可靠启动。采用3次谐波谐振方式可降低启动电流，提高可靠性。采用低频方波方式可有效抑制灯稳态工作时的声谐振。通过仿真验证，设计的小功率金卤灯电子镇流器在启动及稳态工作情况下均能满足要求。结束语目前高强度汽车头灯电子镇流器系统是研究热点之一。本文介绍了汽车头灯的技术背景及其特殊优势，并给出了其电子镇流器的根本电路结构。着重介绍了汽车头灯的技术难点，包括了从启动到运行的各个电路阶段所存在的各种问题，并就此给出了解决这些难点的模拟和数字控制方案，并比拟各自的优缺点。通过对汽车头灯镇流器的研究学习，了解了电子镇流器的开展过程和其中的某些难点，例如现在，汽车头灯电子镇流器还存在的体积大，本钱高，设计复杂等问题，现在较多的使用在高档的汽车场合。所以，开发高性能、低本钱的汽车头灯电子镇流器具有巨大的研究意义与实际价值，具有着相当好的应用前景。这也使我对未来汽车头灯镇流器的开展方向有了进一步的认识。参考文献1 刘汉奎, 高琴, 王健强, 徐殿国具有自恢复功能的金属卤化物灯电子镇流器的保护电路J电气传动，2004,21(10A)：139019002 盛章宝简述荧光灯交流电子镇流器可靠性和实施异常状态保护J灯与照明，2002，03(11A):1440-1610.3 王乔康绿色照明工程和技术创新我国荧光灯用电子镇流器技术进展J新能源，2000,12(10A):1100-1250.4 张相军,刘汉奎,徐殿国,莫桂林汽车氙气前照灯电子镇流器自适应控制策略研究J.汽车工程,2006,09(10A)：161-192.5 高明煜,陈吉锋,曾毓基于单片机控制的35W汽车金卤灯电子镇流器J汽车工程，2005,05(12A)：1945-1965.6 李红涛,张卫平,曹靖,刘元超1kW MH灯用高频电子镇流器分析与设计J电力电子技术，2006,06(07A):118-198.7 林国庆,林梅珍,陈和平,张文雄一种金卤灯用电子镇流器及其控制方案J电力电子技术，2005,10(06A):1080-1580.8 卓书芳,林国庆数字控制金卤灯电子镇流器J.微计算机信息， 2006,20(09A):1860-2200.9 林国庆,陈大华,陈和平.车用金卤灯电子镇流器研究J中国电机工程学报,2004，10(10A):1120-1520.10 姜轶峰,陈敏,钱照明一种新型可调光无声谐振超高频电子镇流器J电力电子技术,2016,02(12A):1480-1780.11  Van Tichelen P. Geens R. Geens R A Novel Dimmable Electronic Ballast for Street Lighting with HPS Lamps Z2000.3419-3422.12 Adams J. Ribarich J. J. Ribarich J. J A New Control IC for Dimmable High-frequency Electronic Ballasts Z1999.713-790.13 Eugen StatnicHigh Frequency Operation of Metal-Halide High Pressure Lamps  Z 1986.105-106.参数文献的标识参考文献类型专著论文集单篇论文报纸文章期刊文章文献类型标识MCANJ参考文献类型学位论文报告标准专利其它文献文献类型标识DRSPZ