基于单片机控制的恒功率金卤灯电子镇流器

liyf

0 引言
金属卤化物灯 (MHL) 作为高压气体放电灯 (HID) 的典型代表，以其高光效、高显色性、寿命长等优点而被称为最理想的光源之一。而作为一种气体放电灯，金卤灯具有负阻特性，所以必须使用镇流器来保证其稳定工作。目前相关行业领域中研究最为广泛的是电子式镇流器，与传统的电感式镇流器相比，电子式镇流器体积更小、重量更轻、效率更高且能有效消除工作噪音。制约电子式镇流器发展的主要问题在于其控制复杂。基于模拟器件的控制电路结构将十分繁杂，成本较高且稳定性不能得到保证。而由于单片机控制电路可以简化电子式镇流器的结构并显著提高其性能。本文介绍了一种基于 STC 单片机控制的三级式恒功率金卤灯电子镇流器，详细分析了其控制策略并设计了相应的软件流程及硬件控制电路。
1 电子式镇流器的基本拓扑结构
目前相关领域已经提出了多种电子镇流器的控制思想，其共同点是寻求在保证金卤灯稳定工作的同时，避免声谐振现象的发生。声谐振现象是指 HID 灯在高频工作时出现电弧不稳定现象，其会严重影响灯具的照明效果，甚至可能导致灯具的损毁。为了避免声谐振，必须调节灯的工作频率以使其远离声谐振频带。实践表明，低频方波驱动金卤灯的方案是消除声谐振现象最有效的解决方法。
低频方波驱动金卤灯方案应用最为广泛的是三级式电子镇流器，其基本构成如图 1 所示。第一级功率因数校正电路 ( 即 APFC 电路 ) ，可在减小电流谐波，提高功率因数的同时，为其后的功率控制级电路提供恒定的直流母线电压。本设计采用 Boost 电路结构形式来提供较高的母线电压，以利于产生驱动金卤灯的高压点火脉冲。第二级功率控制电路为 Buck 电路，用于实现金卤灯的稳态控制，主要是指恒功率控制。所谓的恒功率控制就是保证金卤灯在正常工作时，输出功率保持不变。恒功率下金卤灯的光输出及相关色温指数均会十分稳定，不仅可以保证照明质量，同时也可以延长金卤灯的使用寿命。在稳态工作时， Buck 电路会将金卤灯工作电流调整为一稳定值，同时， APFC 电路会输出恒定直流母线电压，从而实现金卤灯的恒功率控制。第三级电路为全桥逆变电路，它可将 Buck 电路的输出电压逆变为低频方波来驱动 HID 灯，从而避免声谐振现象的发生。金卤灯的启动需要通过高压脉冲点火来实现，图 1 中的点火电路主要利用 LC 谐振的方式来产生高达数千伏的高压脉冲，从而完成金卤灯的启动。图 1 中的单片机控制与保护电路的功能主要是完成金卤灯的启动控制以及金卤灯稳定工作时的监测和保护，确保整个系统的正常运行。