汽車HID電子鎮(zhèn)流器中逆變電路設(shè)計與分析

1、汽車HID電子鎮(zhèn)流器中逆變電路設(shè)計與分析1引言目前，HID汽車前照燈以其光效高，顯色性好，壽命長等優(yōu)點得到了廣泛關(guān)注。與之配套的電子鎮(zhèn)流器也成為當(dāng)前電源研究中的一個熱點。由于大部分汽車 HID燈是交流燈，因此電子鎮(zhèn)流器必須提供交流電流和交流電壓。大多數(shù)兩級式的電子鎮(zhèn)流器均采用逆變電路作為輸出級。為了抑制HID燈，特別是短弧金屬鹵化物燈的聲共振問題，經(jīng)常采用低頻交流方波供電1-3的策略，但為了快速點燈以及維弧，在點燈的開始階段，逆變電路的工作模式與過渡和穩(wěn)定階段的工作模式都還存在著很大的不 同。總結(jié)如下：在啟動階段，選擇某一對角開關(guān)開通，以保證可靠啟動。在預(yù)熱和維弧階段，通常只需一 個周期，即可

2、保證輝光向弧光的穩(wěn)定過渡。一個周期的長度與燈啟動時刻的狀態(tài)，即冷燈啟動。還是熱燈啟動 有關(guān)，也與燈的老化程度有關(guān)。一般來說，冷燈啟動時，預(yù)熱的周期短，而燈熄滅后，短時等待再啟動情況下 的周期長；老化嚴(yán)重的燈預(yù)熱周期長。為了避免電極的不對稱燒損?？刂瞥绦虮仨毐ＷC每個半波中的電流即時 間積分相等。在過渡期間和穩(wěn)態(tài)期間，逆變頻率約為400Hz，占空比為50 %。為產(chǎn)生較好的方波電流以及兼容預(yù)熱期間的長周期，通常采用的是全橋逆變電路拓?fù)?。在全橋電路中，必須仔?xì)考慮兩個上部開關(guān)管的驅(qū)動方案。對此，從成本和體積角度來考慮，如果采用3個獨立的電源來作控制電源方案。顯然不合理。如果采用集成自舉芯片，如：IR2

3、110或BA2030等，則因自舉電容需要預(yù)充電。其電容量不能太小，還需要兼顧多個頻率段的要求，會增加系統(tǒng)體積；此外，工作前，還要先為自舉電容充電，以 滿足啟動時長期單臂工作的需要。而且電容量的大小要按最低的切換頻率設(shè)計1 , 2，因而電容體積也不可能過小。過低的頻率一般都不適合采用脈沖變壓器，因而可能會增加體積。鑒于這些問題這里采用分立元件構(gòu)建自舉驅(qū)動電路的方案，該方案雖會增加元件數(shù)量，但不會增加太多的電 路面積，而且還可增加設(shè)計的自由度。采用提出的自舉驅(qū)動電路其驅(qū)動靈活非常適合低頻逆變器的應(yīng)用。2交流方波逆變電路分析全橋逆變電路的負(fù)載由電感和電阻串聯(lián)而成。電感不僅是高壓發(fā)生器中高壓變壓器的次

4、級.同時也是鎮(zhèn)流電感。逆變橋相當(dāng)于加在負(fù)載兩端的交流矩形波電壓比=土Ubus。在任一時刻，交流矩形波電壓均滿足：昨時甌空-(I )實際上理悠電流石的變化卑可近似我示為： ditl*i=Ut/L(2)電憋兩嵋的電用為；耐叫-%(3)飽態(tài)匚你時，為貸載須端的電斥由負(fù)半渡切換到f H r波討十山于H不能Jilifi的初山為； 址z二j.i司山心m二Hg/ K0.的變化劇為:iIq(I )/(lf=iltU )/貼血|g二鈿倒為任何時劭均満足：說明在t(0+)時刻，電流變化率，即由負(fù)變正的上升率最大，uL也最大，隨著負(fù)向電流的逐漸減小，電阻兩端的負(fù)電壓降絕對值逐漸降低，由式(8)可知，uL也逐漸減小，

5、從而按式 ，電流的變化率降低，并且在uL=ubus電阻電壓降為零時刻時，iL上升為零，而后電流變?yōu)檎?，此后電阻兩端的電壓uR反向變?yōu)檎妷海瑄L繼續(xù)降低，iL的上升率也繼續(xù)降低。直到uR=ubus時刻，uL=0，iL才不再變化，從而達(dá)到正向穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)電流可表示為：L=tK=ujR =UuJR( 9 )要保證得到方波電流和電壓必須使過渡時間與穩(wěn)態(tài)時間相比可以忽略。對此應(yīng)綜合考慮下述兩個因素。與 燈的等效阻抗匹配的電感值不能過大.而燈的等效阻抗在過渡階段主要是增高變化的。在穩(wěn)態(tài)時等效阻抗最大,所以只要按照最小等效阻抗選取電感值，就能兼容過渡和穩(wěn)態(tài)兩種情況。電感值的選擇應(yīng)考慮周期和頻率的 選取。在燈

6、的運行過程中，400Hz約是最高頻率，因此只要按照400Hz設(shè)計電感值，就能滿足整個運行過程。圖1a示出仿真電路，為了更好地說明分析結(jié)果，電感值有意設(shè)定得比較大。圖1b示出電感端電壓uL和電阻端電壓uR的仿真波形。由圖1b可見，在過渡階段，iL的過渡過程與分析結(jié)果基本一致。若減小電感值，則可 縮短過渡過程。實際采用的電感值約為690 yH。Li蘭車>烹當(dāng)圖i仿jX電路踐捷站和引的仿；l：波陽禺屮 U丸瀝更序帖咆J k碑/M=82DRHRt電ftl也撤35W .851止仃費宦左戶NOO3分立元件自舉逆變電路設(shè)計圖2示出采用分立電阻的自舉驅(qū)動逆變電路拓?fù)?。它由分立元件組成，其特點是：驅(qū)動電路

7、的電源地與逆變?nèi)珮虻哪妇€電源正接在一起使得控制電源懸浮在母線電源之上；主晶體管VQ1工作在截止和放大狀態(tài)，而非完全的開關(guān)狀態(tài)。在對橋臂開關(guān)施加開通信號期間，工作在恒流狀態(tài)下：施加關(guān)斷信號期間，工作在截止?fàn)顟B(tài)下。閹2児用仆上血陽的訂舉幫動逆災(zāi)電路拓?fù)?圖中叭加一騾動控制電壓仿號圖3示出無穩(wěn)壓管的自舉驅(qū)動電路。當(dāng)驅(qū)動控制信號為高電壓，即等于控制電源電壓UCC時，VQ1的基極電壓ubVQ1=13V，VQ1截止，R7中沒有電流流過.橋臂開關(guān)管 VT1的柵源驅(qū)動電壓 ugsVT仁0 , VT1不導(dǎo)通。這 時，無論VT1是上部開關(guān)管，還是下部開關(guān)管， VQl的端電壓UebVQI也都等于Ucc+U bus。

8、圏3無總也竹的門軍駆動虧路圏中邛朋動控制電用信號當(dāng)驅(qū)動控制信號為低電壓即等于控制電源地的電位時，VQ1的基極電壓由R1 , R2, R3決定，即:(10)_R凰九山早:-些旳)零尺占山呂他乩十尺出舟卅I這一恒定電流IR1也要流經(jīng)R7，所以R7的端電壓即為ugsVTI。各電阻值的設(shè)定一定要使R7的端電壓和柵源極電壓滿足驅(qū)動的要求。這樣，R1的端電壓和電流都是恒定的。即：G】=5-嶺艸|-嶺心* b丸配&(11)式中 認(rèn)艸的施射槪業(yè)用另外需注意的是，橋臂上下兩個開關(guān)管的驅(qū)動電路中主晶體管的端電壓uebVQx的波形差別非常大這是因為自舉驅(qū)動電路的控制電源與全橋母線電源是串聯(lián)的。對于上部開關(guān)管

9、而言，當(dāng)產(chǎn)生開通驅(qū)動信號時，控制電源與橋臂中點之間的電壓為Ucc,此時主晶體管兩端的壓降可表示為：卻哄產(chǎn) 皿(12)這是一個較低的電壓。在VT1關(guān)斷期間，由于 VT1的源極也即橋臂中點的電位等于全橋母線電源地則此時VQ1兩端的電壓降為：(13(13)，但在產(chǎn)生開通驅(qū)動信號期間，由于下管對于下部開關(guān)管而言，產(chǎn)生關(guān)斷驅(qū)動信號期間，端電壓也滿足式 的源極始終是母線電源地，所以此時VQ1的端電壓可表示為:由此可見，相對于式（13）來說，式（14）和式（15）所代表的電壓均為較高電壓。由此可知，下管驅(qū)動電路中主晶體 管的工作條件較為惡劣，所以必須限制流過的電流并降低功耗，同時選擇額定功率較大的晶體管。圖

10、4示出根據(jù)圖3電路，采用Spice4軟件仿真得到的母線電壓為單相全波整流濾波電壓時上、下部驅(qū)動電路中主晶體管VQ1的端電壓uceVQI和上、下部VT1的柵源極驅(qū)動電壓 ugeVTI波形?？梢姡妇€電壓波形主要降 落在主晶體管上。在驅(qū)動波形上體現(xiàn)不出來。仿真結(jié)果與分析結(jié)果完全吻合。fit和引帕林/ H I 卜II 殲I i M 斤；R 和TJ t I H .i 弔jL'J （ilihtm h 瞎估!卜臨的*嚴(yán)t |挾常H） J !-J l i決節(jié)綜上所述，該電路中的電阻值需仔細(xì)設(shè)計。設(shè)計原則是：在開通驅(qū)動期間.流過柵源之間的電阻R1和主晶體管的電流要滿足電流與 R1的乘積，并符合驅(qū)動要求

11、，而且應(yīng)盡量小，以降低晶體管的功耗： 驅(qū)動電流要合適。4試驗驗證圖5a示出設(shè)計的電子鎮(zhèn)流器在穩(wěn)定工作期間，逆變電路的燈電壓Ulamp和燈電流ilamp實測波形。由圖可見，設(shè)計的自舉驅(qū)動電路完全能滿足全橋驅(qū)動的需要。圖5b示出電子鎮(zhèn)流器在啟動和預(yù)熱期伺逆變電路的Ulamp實測波形。由圖可見，自舉驅(qū)動電路不僅能滿足在啟動期間使某一對角主開關(guān)管始終導(dǎo)通另一對角主開關(guān)管始終 關(guān)斷的控制要求，而且在預(yù)熱維弧階段，還能滿足自適應(yīng)相對更加低頻的要求。14刖山、fit 勒閩擁5結(jié)論對HID前照燈電子鎮(zhèn)流器采用后級逆變電路的自舉驅(qū)動電路進行了定量分析：提出了電路設(shè)計和元器件選取原 則；給出了仿真結(jié)果和實驗波形。

12、實驗證明所采用的自舉驅(qū)動電路能夠很好地完成電子鎮(zhèn)流器的工作要求。 設(shè)計的逆變電路用自舉驅(qū)動電路可以滿足啟動階段頻率的靈活調(diào)節(jié)。二極管關(guān)斷時存在一個反向恢復(fù)問題，這會大大增加器件的開關(guān)損耗。為了避免這種情況的發(fā)生，我們讓電路 工作在電流斷續(xù)狀態(tài)下。圖3是逆變級Buck電感電流的狀態(tài)示意圖。DT hTkiT電感電流斷續(xù)的情況當(dāng)S1工作于高頻狀態(tài)而 S2斷開時，電路工作于3種工作模式。1.1.1模式1S1開通，電流流過 C1、S1、Rs、燈、點火電感和 Lc圖4是這種模式的等效電路圖。其中點火電感的電 感量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電感 L的電感量，假設(shè)電容C上的電壓在每個開關(guān)周期中保持不變，電感L上的電壓VL為R圖

13、4amp )K 二Kt +廠L刖廿P點火1、電感61.1.2模式2模式I的等效電路圖S1斷開，由于電感電流不能突變，電流流過 Rs、燈、點火電感、L、C2和D2o。圖5是此種模式的等效電路圖。電感L的電壓為増5 模式2的等效電路圖1.1.3模式3S1仍然處于斷開狀態(tài)。但是電感£的電流降為零。此時，電容C給燈提供能量，電流流過C、Rs、燈和點火電感。圖6是此種工作模式的等效電路圖。假設(shè)電容足夠大，電容上的電壓保持不變，我們能夠從式（1）、式中得到輸出的燈電壓為（3）式中：系數(shù)k1與電感電流下降時間有關(guān)，在圖3中有著明確的表示。當(dāng)S1斷開，S2工作于高頻開關(guān)狀態(tài)時，電路的工作過程基本上和

14、上面的分析一致。根據(jù)上面的分析，在每半個低頻周期內(nèi)半橋逆變電路可以等效為一個Buck降壓電路。從而一個半橋逆變電路既可以提供給燈一個合適的T作電壓又能使燈工作于低頻方波狀態(tài)。5圖6 模式3的等效電路圖1.2閉環(huán)控制因為金鹵燈的負(fù)阻特性， 為此我們控制鎮(zhèn)流器的輸出呈現(xiàn)為電流源的特性，以保證燈的穩(wěn)定工作。圖7是半橋電路的控制方法框圖。通過Rs采樣燈電流。采樣電阻 Rs上的電壓是一個低頻的方波信號。首先通過運放I把這個信號放大，然后經(jīng)過一個整流電路把這個交流的方波信號整流成直流，再經(jīng)過 RC濾波后進行PI調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)輸出為一個恒流源。可見這種 控制方法等效于 DC/DC的控制方法，簡單且有效。圖7 控

15、制方法示意圖1.3電流過沖但是，這個電路存在一個嚴(yán)重問題就是在每個輸出電流換向的瞬間會有很大的電流過沖。 樣的尖峰電流會大大降低燈的使用壽命。本文提出了一種簡單有效的方法克服這個問題。 圖8是半橋驅(qū)動門極信號的產(chǎn)生電路，其中的D觸發(fā)器、兩個與門和兩個或非門組合在一起用來減小驅(qū)動信號的占空比。而這個功能由控制腳（CP）來控制，當(dāng)CP為高時，驅(qū)動的占空比就可以減小為大約原來的一半。這樣我們就可以在每個輸出電流換向的瞬間給CP一個高電平，減小驅(qū)動的占空比，以大大減小甚至消除過沖電流。圖9為一個簡單CP控制信號的產(chǎn)牛電路。圖10為腳CP信號與低頻逆變信號的時序圖。8 半橋驅(qū)動門極信號的產(chǎn)生電路圖9 控

16、制腳信號CF產(chǎn)生電路400Hz擰制腳CP圖10 控制腳信號和低頻逆變信號時序2實驗結(jié)果采用上述控制方法的一個70W金鹵燈電子鎮(zhèn)流器樣機已經(jīng)完成。電路主要參數(shù)如下。L="380"卩 H;C=1 卩 F;Vo="200V"fh="100" kHz ;f1=400Hz。其中： fh 為半橋電路驅(qū)動的高頻和低頻頻率；f1 為半橋電路驅(qū)動的低頻頻率。圖11顯示了輸出電流換向時驅(qū)動信號的變化。 圖 12為輸出電流換向時電感電流的變化， 可以看到電流的過沖相當(dāng)小。圖 13 為點火脈沖，由于點火是在低頻情況下進行，所以點火 成功率很高。圖 14 為燈正常工作時的電流和電壓波形，可以看出燈電流基本沒有電流過沖 的情況發(fā)生。整機效率約為 90，波峰系數(shù)為