应用于投影仪的高频数字化金卤灯电子镇流器

王懿杰 张相军 王 卫 徐殿国

（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 哈尔滨 150001）

1 引言

自投影仪问世以来，其在教学、商务演示以及会议等场所得到了广泛的应用，而随着其成本的降低，功率密度的提高，正在逐渐走入家庭，成为家庭用品。

投影仪用光源一般有三种：即超能灯（UHP）、高压汞灯（UHE）以及金属卤化物灯。超能灯价格昂贵，一般应用于高端的投影仪。高压汞灯（UHE）广泛应用于投影仪中，但其为点光源，一旦损坏，将不能使用，且其价格仍然较高，更换的成本也较大。金属卤化物灯价格低廉，更换成本较低，且相对于点光源来说，不易损坏，所以成为低成本投影仪的首选[1-2]。

金属卤化物灯为高压气体放电灯的一种，具有负阻特性，所以必须与镇流器搭配使用。而传统的电感镇流器功率因数较低、体积大且极其笨重，所以轻小而高性能的电子镇流器已经成为发展的趋势[3-4]。为简化电子镇流器的电路结构，提高其功率密度，本文采用飞斯卡尔公司的 8位单片机M908Q4ACE来实现对电子镇流器的数字控制。

半桥结构在镇流器中应用非常广泛，LCsCp谐振启动由于不需额外附加启动电路也得到了广泛的应用[5-7]。由于LCsCp电路中有三个无源元件，在实际应用中均有一定偏差，造成了系统的不稳定性，所以如何在参数的可变化范围内实现可靠启动，成为一个难题。本文将研究 LCsCp可靠的数字启动方式，使其能够最大限度的适应参数的离散变化。同时提出基于数字控制的过渡以及功率闭环控制方法，此处为避免声谐振现象，采用了高频调制的驱动方式。

2 系统整体结构

图1所示为系统整体结构图。本文所研究镇流器共分五部分：EMI滤波器、全桥整流电路、功率因数校正电路、半桥电路以及控制电路。如图1所示，单相交流电经EMI滤波器后再经全桥整流，然后经过功率因数校正电路输入到半桥，确保母线电压为 400V，单片机检测灯的状态然后发出相应的PWM 信号来控制开关管的导通与关断。此处功率因数校正部分选用了基于临界模式控制的安森美公司的MC33262芯片。

图1 电子镇流器整体结构图Fig.1 Configuration of the electronic ballast

3 LCsCp系统整体结构电路分析

从文献[8,9]可知，气体放电灯的动态模型可用其增量阻抗表示为

式中，zL(s)表示灯的增量阻抗；vL(s)表示灯电压的扰动量；iL(s)表示灯电流的扰动量。

在此模型中，z为一个负实数而 k为正实数，则知其高频下增量阻抗如式（2）所示

由于R∞是一个正实数，所以气体放电灯在超高频下是趋于正阻性的。本文中选用的气体放电灯为佛山照明生产的 150W 金卤灯，经测试在 150kHz以上工作频率不再发生声谐振现象。考虑到灯参数的离散性，采用了高频调制的驱动方式来避免声谐振，半桥LCsCp电路等效电路如图2所示。

图2 半桥LCsCp谐振逆变器等效电路Fig.2 Equivalent circuit of half-bridge LCsCp resonance inverter

由文章[10]可知，基于频率控制的正弦信号x(t)可表示成一个复杂的矢量形式为

式中，ωs(t)表示变量的瞬时角频率。

则可得到LCsCp的小信号模型如图3所示。由图3可求镇流器的输出阻抗，实际中如镇流器的输出阻抗与灯的增量阻抗之和为正，整个系统即为稳定的。

图3 LCsCp电路小信号模型图Fig.3 Small signal model of LCsCp circuit

4 数字控制方法研究

4.1 启动控制策略

LCsCp串并联负载谐振变换器即可提供稳定的启动电压也可在稳态时提供足够的灯电压。在实际中 Cs≫Cp，则在启动时 Cp起主要作用而在稳态时Cs起主要作用。下表给出了 LCsCp谐振变换器串联谐振和并联谐振的特征参数。

与胡汉民、汪精卫相比，蒋介石是以军事起家而进入国民党高层，在意识形态上倾向于保守和集权，尤其仰赖暴力机器的力量去达到政治目的。胡汉民、汪精卫从晚清始就是激进革命者，通过舆论宣传和党务工作获得国民党内的领袖地位。胡汉民的主张或更接近孙中山遗教的真意，汪精卫的建国主张则更具现代色彩。然而，在后孙中山时代，国民党内的党统之争，却以背离孙中山遗教程度最大的蒋介石胜出而终结，亦是一种意识形态上的悖论，但此种悖论由中国共产党终结，恰又重回意识形态竞争的固有逻辑。〔本文受南京师范大学2016年度“青蓝工程”骨干教师科研基金资助〕

表 LCsCp电路特征参数Tab. Parameters of LCsCp inverter

串并联负载谐振电路的电压传输特性为

图4所示为LCsCp电路的传输特性曲线。传统的LCsCp滑频方式为设定起始频率1点和终止频率2点，然后滑频，如果在 3点上灯亮，则由于灯阻抗迅速减小，系统进入图4左侧的谐振腔，然后设定初始频率4点，使系统具有相应的初始功率以维持灯内气体电离。

图4 负载谐振电路电压幅频特性Fig.4 LCsCp circuit voltage gain

此方法的不足之处为 LCsCp中存在三个无源元件，电感值的偏差为10%左右，而电容值的偏差一般为20%左右，虽然可以买到更高精度的电容，但其价格昂贵，以 5%精度的电容为例，其价格是精度为20%的电容的数十倍。则在启动时，很可能终止频率太高而导致无法使灯启动，也有可能由于起始频率太低而导致上电瞬间冲击电流过大，使镇流器损坏，当起始频率在谐振峰值时最为危险。

本文中，LCsCp谐振网络参数的离散性对电压增益Hv的影响程度通过电压增益Hv相对于各个参数的灵敏度来分析。单位灵敏度定义为

如灵敏度为负值，表明随着参数的增加，电压增益是下降的，反之则电压增益为上升的。

此处定义 k=ω/ωp，则电压增益 Hv关于并联电容 Cp、串连电容 Cs以及串联电感 L的灵敏度如下式所示

为降低参数离散性影响，把截止频率设置为 5点，即滑频截止频率滑过谐振峰值点，然后对灯电压进行采样，对启动的最大电压进行限制，则在实际应用中可以把初始频率升高，截止频率降低到峰值以下，这样就能适应无源元件参数的离散性，同时对于老灯也有更强的适应性。程序流程如图 5a所示。图5b为启动时滑频示意图，f2为器件参数无偏差时的截止频率。左右两侧谐振腔表示无源器件的参数变化范围，则由于电压的限制，无论谐振频率如何变化，系统均可得到足够高的启动电压，唯一不同的是滑频范围在f3-f0～f1-f0间变化。

图5 系统启动流程图与滑频示意图Fig.5 Flow chart and sweeping diagram in ignition stage

4.2 过渡以及功率闭环控制

在过渡期间，如调节过快，会导致功率过冲。同时系统di/dt与du/dt较大，也可导致镇流器损坏，所以此处采用开环控制的方法，即恒频控制。在恒频控制中，随着灯阻抗的增加，灯电压将逐渐增加直到灯功率达到额定功率进入功率闭环。

LCsCp稳态母线电流波形图如图6a所示，则将母线电流作傅里叶分解，可得

式中

可得输入平均功率为

经化简可得

稳态工作时，灯功率Plamp与逆变器输入平均功率Pin-av存在如下关系

式中，η 为逆变级效率。

如果母线电压恒定，灯功率和母线平均电流是成正比的，可以通过采样母线平均电流来控制功率，此处通过采样 Rs两端的电压来对母线电流进行采样，经低通滤波器可得逆变器的平均母线电流，然后通过控制半桥电路的工作频率来实现对灯功率的控制。此处为避免声谐振，采用了高频调制的控制策略，即以工作频率为中心频率，实际工作频率在中心频率左右来回波动。这样集中在单个频率点上的高频能量，被拓宽到一定带宽的频带上，有效避免了声谐振的发生。

图6 灯功率闭环控制示意图Fig.6 Schematic diagram of the closed-loop control for the lamp power

图6b为功率闭环控制框图而图6c为功率闭环控制的子程序流程图，此处对母线电流多次采样取平均值以消除误差。此处的故障保护，指的是在灯出现开路和短路的情况下能够停止工作，保护镇流器，特别是开路时，此时 LCsCp谐振电路的品质因数较高，输出电压电流均很大，如果长时间工作在此状态，必将使镇流器损坏。由于系统采样的母线电流实际上为有功电流，所以无论开路或短路发生，其值都会迅速降低，所以在实际应用中判断系统发生故障可通过判断母线平均电流采样值是否降到一个较低的数值。同时为区别开路和短路，实际中也对灯电压进行了采样，如果母线电流较低同时灯电压较高则为开路。判断出系统出现故障，MCU将迅速封锁PWM输出来保护电路。

5 实验结果

图7所示系统电路图，包括主电路与控制电路两部分。其中控制电路由采样电路与驱动电路组成，其中CD4046用来实现压控振荡器的功能。单片机发出的PWM信号先转化为直流信号，通过压控振荡器转换为频率信号，最后通过驱动电路转换为半桥电路的驱动信号。

图7 系统电路图Fig.7 Circuit of the system

在此系统中，选择系统工作频率为 166kHz，Cs/Cp一般取值在100以上，本文中的比值为400，而Cp值一般较小，此处取为1.65nF，则可确定Cs的取值，由测试可知灯额定功率为150W，此时灯电压为110V左右，灯电流为1.6A左右，则由式（4）可求出串联电感的取值，最终参数取值为 Cs=680nF，Cp=1.65nF，L=90μH。则谐振频率为 130kHz，此处选择初始频率与截止频率分别为180kHz与110kHz，灯的启动电压为1 500V，限幅电压设为2 000V。

为验证启动策略的准确性，只需比较新灯与老灯的启动波形即可。图8a所示为镇流器新灯热灯滑频测试图，图8b所示为镇流器老灯热灯滑频测试图，则知系统无论在新灯或老灯状态下，都能得到相等的足够高的启动电压，印证了启动方法的高适应性与正确性。同时实验中，共制作20台样机，所选参数为电感在10%内变化，电容20%内变化，经测试，所有镇流器均可可靠启动。图8c为系统开路时灯电压采样波形而图8d为系统短路时母线电流采样波形，可知系统在发生故障时，均可靠保护。图8e为系统稳态时输出电压电流波形，图 8f为系统稳态时的李萨如图，可知系统在高频工作下时是呈阻性状态的。

图8 实验测试波形Fig.8 Test results in the experiment

图9为系统输入、输出测试图，可知系统输入以及输出功率均平稳上升，与设计相符，同时在接近180s达到稳态后，其输出功率保持恒定，测试用时598s，证明了闭环控制策略的正确性。图9为远光 UI2000电子镇流器测试装置测试得到，在高频下的显示参数并不准确，在此主要测试其输出曲线，实际效率经测试为93.06%。图10所示为镇流器样机以及投影仪样机，经测试，其在工作中无声谐振现象发生，灯弧稳定饱满。

图9 系统测试波形Fig.9 Test results of the system

图10 系统样机Fig.10 Prototype used in the laboratory

6 结论

本文提出一种数字控制投影仪用金卤灯电子镇流器，提出了可靠的启动方法，考虑了系统参数的离散性。提出了可靠的过渡过程控制策略、闭环以及保护策略，经测试，系统可可靠启动、过渡平稳、功率闭环准确，在系统发生开路以及短路时可迅速保护。

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