HID灯和电子镇流器间的接口设计[3]

　　3 HID 电子镇流器同灯接口设计的基本原理

　　LDI 具有双重意义，它不仅要求HID 镇流器给HID 灯提供良好的驱动，同时要求在HID 灯所有工作阶段和可能的异常工作状态下，HID 电子镇流器都具有高度的可靠性来抵御失效。

　　通过上面的叙述，我们知道，要深入理解HID灯的性能要求和工作特性，将灯在不同工作阶段所需要的驱动条件及对应的等效电学参数融汇到镇流器的设计中，是HID 电子镇流器设计的基本立足点和出发点。首先，为了驱动HID 灯，HID 电子镇流器必须具备的基本外部特性是:

　　(1) 在灯的点火阶段， 提供恒定的OCV 电压和适当高度和足够宽度的点火尖峰电压，点火时序和点火维持时间是可控的;

　　(2) 在灯的Runup 阶段，提供恒定的Runup 电流;

　　(3) 在灯的正常工作阶段，提供恒定的输出功率或者恒定光色控制。

　　(4)在灯的EOL工作阶段，能够识别EOL状

　　电力电子线路中的“临界电感电流模式”技术也被应用到HID电子整流器的线路设计之中，在临界电感电流模式下，灯电流的大小控制就非常简单，因为电感电流峰值的一半就等于灯电流，所以在灯的Runup阶段，只要将电感电流的峰值控制在设定值，就可以实现恒电流Runup。另外，这个技术对于提镇流器的可靠性，实现“零电压开关”和改善电磁兼容性都直到重要作用。

　　从对HID灯的匹配性而言，三级结构的镇流器是最友善的，并且在控制方法的实施难易程度上，利用三级结构的HID镇流器来实现灯所要求的恒压、恒流和恒功率(恒光色)是比较简单的，其中BUCK变换器的控制是核心。在三级线路中(图2上)，BOOST 变换器实现功率因数校正和恒定直流电压输出的两大功能，BUCK变换器实现现稳压(点灯阶段)和限流(Runup阶段和正常工作阶段)的两大功能，而逆变桥实现低频换向的功能。首先，在灯的点灯阶段，控制BUCK变换器输出电压的大小，可以给灯提供恒定的OCV电压。在灯的Runup 阶段，控制工作于临界模式的BUCK变换器电感电态，并采取适合的保护动作。

　　简单的说，在HID灯不同的工作阶段，电子镇流器分别具有恒压、恒流、恒功率的外部特性，为了使镇流器具备这些输出特性，同时为了顺应电力电子产品发展的基本趋势(高能效、高功率密度、小型化)，镇流器内部线路必须采取适合的拓扑结构及控制逻辑。

　　目前市场上HID电子镇流器的主电路拓扑三级结构和两级结构两类，而两极拓扑又分全桥两极(FBCF)和半桥两极(HBCF)两种，它们的原理图在图2给出。

　　在HID电子镇流器中，基于安全原因，点火尖峰电压发生线路的工作应该交由定时器来控制，并且通过调整与灯相串联的升压变压器的匝比(如图中的Lig元件)以及调整同该变压器绕组相并联的点火电容容值大小，就可以将点火尖峰的高度和宽度调整到适合的数值。当灯被点亮时，尖峰电压发生线路的工作被中止;当超过一定时间后，如果灯仍然不能被点亮，则停止尖峰电压发生线路的工作。为了降低HID灯的EOL风险，点火动作应该是间断式的(burst ignition),这一点后面再详述。

　　流峰值的大小，可以给灯提供恒定的Runup电流。而在灯的正常工作阶段，根据灯电压的变化，控制BUCK变换器输入电流的平均值，可以实现恒功率控制或者恒光包控制。在灯的EOL阶段，通过监控BUCK变换器的输出电压的变化范围，来识别灯的EOL状态并EOL保护。

　　虽然HID镇流器三级线路同灯之间的匹配最友善，但是该线路对电能要通过三级处理，所以线路效率比两极线路低;并且，三级线路需要较多的元器件，元器件的成本可能比两线路高;再者，三线线路中，PCB面积大，不利于镇流器小型化的发展趋势。正是由于三线线路的这些不易弥补的缺点，两极线路才是今后主流的发展方向。

　　在两级的FBCF线路中(图2中)，除了要实现低频换向的功能外，还要输出稳定的OCV电压(点火阶段)和限流(Rrunp阶段和正常工作阶段)等功能。FBCF的直流输入电压一直稳定在400V，在灯的点火阶段，通过调整高频桥臂开关的占空比，可以将灯电极两端的OCV电压调整到设定值;在Runup阶段和正常工作阶段，电感L2工作在临界电流模式，通过调整高频桥臂开关的Ton (每个开关周期内的通态时间)，可以控制L2，电感电流的峰值，并进一步控制灯电流的大小。显然，FBCF纯种兼具三级线路中的BUCK变换器和低频换向逆变桥的所有功能。在两级的HBCF线路中(图2下)，除了实现低频换向的功能外，还要实现限流(Runup阶段和正常工作阶段)功能。在Runup 阶段和正常工作阶段，电感L2工作在临界电流模式，通过调整高频桥臂开关的Ton ( 通态时间) ，可以控制L2电感电流的峰值，并进一步控制灯电流的大小。

　　相对于两级线路而言，在HID 灯的各个工作阶段，三级线路镇流器自身的可靠性也比较高，因为在HID 电子镇流器线路中，可靠性方面最大的“原理级隐患”来自于工作在高频开关状态的桥式结构。原因是这样的: 如果桥臂开关管体内寄生二极管反向恢复时间长( 如> 150nS) ，则上开关管( 或下管) 开通时刻下管( 或上管) 的体内寄生极管可能还处在续流状态，上管( 或下管) 的开启，会在下管( 或上管) 的体内寄生二极管中引起剧烈的反向恢复， 并进一步引起下管( 或上管) 的误导通，从而导致上下开关管直通而烧毁桥臂。虽然三阶线路也有桥式结构，但是桥臂开关工作于70Hz ～400Hz 的低频，基本避免了高频工作开关管体内寄生二极管反向恢复慢所导致的桥臂烧毁的问题。

　　而在标准的两极线路中，桥臂开关管工作在高频状态，此时镇流器的可靠性将成为一个突出的问题。为了降低两级线路在可靠性上的风险，HBCF线路有两种应用广泛的改进版本，如图3 所示。改进版本1 ( 图3 左，Philips 方案) : 将标准的半桥改变为双BUCK 结构，引入外部快恢复二极管来给电感电流续流，完全消除了桥式结构MOS 管直通的问题。改进版本2 ( 图3 右，Osram 方案) : 在桥臂两个MOS 管的漏极分别串入肖特基二极管，以便阻断MOS 管体内寄生二极管的工作，再反并联快恢复二极管给电感电流续流，该方案也基本消除了桥臂直通的问题，但是要注意肖特基的温升。

　　实现HBCF 电感电流临界工作模式( 提高桥臂可靠性) ，同时保证电感电流的峰值是可控的( 以便控制灯电流大小并限制桥臂开关最大电流) ， 则在HBCF 控制线路中必须具备两个基本功能，即电感电流峰值检测功能和电感电流过零检测功能，以便快速控制桥臂开关的开通和关断动作。在HBCF线路中，国际知名照明公司都有各自的专用芯片来实现电流峰值检测和电流过零检测的功能，譬如飞利浦公司的CCIC 芯片， 锐高公司的CM3493 芯片等。国内虽然有许多HID 电子镇流器生产企业，但是都没有一款拥有自主知识产权的控制芯片，所以国内HID 镇流器的主线路绝大部分都是采用三级结构。少数几家国内小企业尝试仿造飞利浦公司的CCIC 芯片，并且基于这个仿造芯片，可以制造出两极线路的镇流器。但是这种尝试难免会由于专利壁垒的限制，而在日后受到飞利浦公司的追杀。

　　4 HID 电子镇流器同灯接口性能测试方法

　　可以通过一组测试试验来系统地评估HID 镇流器对灯接口匹配性能的好坏，它们分别是: 点火测试、频繁点灯流明维持率测试、长期工作时效测试、EOL 风险测试。

　　(1) 点火测试

　　点火测试的目的是评估镇流器的点灯能力。在测镇流器(DUT) 取极限偏差参数时，在规定时间内，最长灯线下，能否多次点亮不同寿命阶段的冷灯和热灯。测试中所用的HID 灯是经过特殊处理的，电极都有不同程度的磨损。

　　(2) 频繁点灯流明维持率测试

　　频繁点灯流明测试的目的就是评估镇流器驱动HID 灯时灯电极物质的溅射程度，也可以粗略预测该镇流器和灯配套使用后灯的寿命。通过比较DUT镇流器和基准镇流器对同一批次HID 灯频繁点灯后流明测试结果的差异，就可以判断DUT 镇流器的接口参数设置是否适合。

　　(3) 长期工作时效测试

　　长期工作时效测试的目的是综合评估DUT 镇流器长时间驱动HID 灯时灯电极物质的蒸发程度、显色指数的一致性和色温的稳定性。

　　(4) EOL 风险测试

　　该测试的目的是评估镇流器和灯配套工作时的安全风险。根据镇流器产品规格书中的数据说明，将6 个待测镇流器取极限偏差参数，在规定时间内按照一定周期多次驱动EOL 灯，并测量在每个驱动周期中，EOL 灯箍颈处的最高温度。测试标准要求决大部分温度点位于350℃ 之下，而且6 个DUT 镇流器都不能失效，否则测试失败。

　　5 结论

　　本文围绕两个核心概念———匹配性和可靠性，阐述了HID 电子整流器和灯之间接口设计的基本原理，以及接口性能测试的基本方法。相信本文可以对国内同行有所帮助，同时也希望同行指出文中不足之处，以期改进。