HID灯和电子镇流器间的接口设计及镇流器可靠性研究[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，“临界电感电流模式”技术力电子线路中的“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，这个技术对于提高镇流器的可靠性，实现“零电压开关”和改善电磁兼容性都起到重要的作用。

　　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 变换器实现稳压( 点火阶段) 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，在灯的点火阶段，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分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色控制。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 状态并实施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极线路高; 再者，三级线路中，PCB 面积大，不利于镇流器小型化的发展趋势。正是由于三级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(Runup 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 线路兼具三级线路中的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。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。