汽车氙气灯电子镇流器的研究与设计

1、目 录摘 要IAbstractII第1章 前 言11.1 研究背景11.1.1 汽车前照灯现状及发展趋势11.1.2 电子镇流器国内外研究现状21.2论文研究的内容与意义3第2章汽车氙灯及其镇流器原理与特性42.1 氙气灯的发光原理及特性42.1.1 氙气灯的发光原理42.1.2 氙灯的特性52.2 声谐振及其解决办法62.2.1 声谐振产生的原因和危害62.2.2 声谐振的解决方法623 汽车氙灯工作模式分析82.4 汽车氙灯镇流器的基本电路结构92.5汽车氙灯对镇流器的要求及其设计难点11第3章 汽车氙气灯镇流器主电路分析与参数设计123.1镇流器主电路123.2镇流器主电路分析143.2

2、.1反激变换器及其漏感能量吸收电路143.2.2高压启动电路分析143.2.3电流接续电路对灯启动的影响153.3镇流器主电路参数设计173.3.1反激变换器设计173.3.2开关管和整流二极管的设计173.3.3逆变器及其驱动电路设计18第4 章汽车氙气灯镇流器控制系统分析与设计204.1 控制策略的分析204.1.1 汽车氙灯启动过程的控制204.1.2 汽车氙灯稳态控制方法比较分析214.1.3 模拟、数字、数模混合控制方式比较分析224.1.4控制电路分析254.2 控制电路硬件设计264.2.1 控制器的选择264.2.2逆变电路控制IC284.3 控制电路软件设计294.3.1 恒

3、功率控制294.3.2启动和保护控制314.3.3总控制流程31第5章 总 结35参考文献36致 谢37汽车氙气灯电子镇流器的研究与设计汽车氙气灯电子镇流器的研究与设计摘 要：本文以汽车Osram35W氙灯为研究对象，以优化灯的启动过程、延长灯的寿命、提高电子镇流器和灯之间的匹配性为出发点，对电子镇流器进行了电路参数研究、控制方法研究、电路设 计和仿真分析。采用反激变换器作为主功率拓扑，通过建立等效模型对反激变换器输出电容和启动变压器副边电感进行了分析：运用近似等效模型分析了启动电路各参数对启动脉冲波形的影响，并设计出由倍压电路和升压变压器组成的启动电路；以延长汽车氙灯的工作寿命为目的，分析了

4、电流续接回路对灯启动的重要作用。针对电子镇流器，比较了不同控制方法的优缺点，采用具有数模混合控制功能的单片机PICl6C781和全桥驱动芯片UBA2030T进行数模混合控制，并对它的实现方法和控制特性进行了详细的分析。采用新型的恒功率控制算法，能实现高精度、高稳定性的恒功率效果，并能有效抑制灯电压、灯电流纹波。最后给出了恒功率、启动和保护控制的流程图。 在理论分析的基础上，对两级低频方波数模混合控制的35W氙灯电子镇流器进行了系统设计和研究。关键词：HID灯；氙气灯；电子镇流器；恒功率控制Research and design car xenon lamp electronic ballast

5、sAbstract: Based on auto Osram35W xenon lamp as the research object, to optimize the lamp startup process, prolonging the life of the lamp, electronic ballast and lamp matching between sex as a starting point, on the electronic ballast circuit parameters, control methods, circuit design and simulati

6、on analysis. Adopts flyback topology as the main power, through the establishment of the equivalent model of flyback output capacitance and start the vice side inductance transformer are analyzed: approximate equivalent model is used to calculate the influence of various parameters on the start puls

7、e waveform is starting circuit, and designed a composed of doubler circuit and step-up transformer start-up circuit; In order to prolong the working life of car xenon lamp, for the purpose of analysis of the current characters to important function that the lamp start circuit. To electronic ballasts

8、, compares the advantages and disadvantages of different control methods, using a d/a mixed control function of single chip microcomputer PICl6C781 and full bridge drive chip UBA2030T mixed-signal control, and its implementation method and control characteristics are analyzed in detail. Using new ty

9、pe of constant power control algorithm, can realize high precision, high stability of the constant power effect, and can effectively restrain the lamp voltage, lamp current ripple. Finally gives a constant power control flow chart, start, and protection.On the basis of theoretical analysis, the cont

10、rol of two-stage low-frequency square-wave mixed-signal 35 w xenon lamp electronic ballast for the system design and simulation study.Keywords: HID lamp; Xenon lamp; Electronic ballast.;Constant power control II第1章 前 言1.1 研究背景根据国内能源紧缺的现状，国家大力提倡节约能源，“十二五”期间，国家发改委陆续出台了“节能大纲”和十大节能工程，均涉及照明节能。因此，无论是光源、灯具

11、还是电器附件，高效节能都将是发展趋势。汽车工业的发展与照明工业也存在密切关系，近年来，国内汽车工业发展迅速，每辆汽车平均要用几十只光源，因此提高汽车照明用电效率也刻不容缓。1.1.1 汽车前照灯现状及发展趋势 汽车前照灯中的光源经历了从白炽灯到卤钨灯的发展，随着汽车对低能耗、安全、舒适要求的进一步提高，比卤钨灯光效更高、寿命更长、显色性能更佳的高强度气体放电灯(High Intensity Discharge Lamp，HID灯)应运而生。氙灯是一种HID灯，目前氙灯的主要应用在汽车(尤其是现代轿车)照明和高端摄影设备的闪光照明。氙灯亮度大，发出的色调与太阳光比较接近，消耗功率低，可靠性高，不

12、受车上电压波动影响，大幅度提高了夜间行车的可视度。使用氙灯不但减少了电能消耗，还相应提高了车辆的性能，这对于车辆以及绿色照明而言具有很重要的意义。 正是以上原因，促成了HID汽车前照灯的开发。1984年时，Philips公司首先提出将HID光源用于汽车前照灯的设想，后来各公司便先后开始进行这方面的研究和开发。1988年，包括Philips、Osram、Bosch和Hella在内的欧洲七个大的光源、车灯和汽车厂开展了联合研发项目EUREKA273，进行汽车放电灯照明系统VEDILIS(VehicleDischargeLighting System)的研发工作；1990年，HID汽车前照灯进行了3

13、个月15万公里的实车试验；1996年，正式批准了两个ECE法规，即ECE NO98气体放电型前照灯和ECE NO99气体放电型光源。近年来，在新款高档轿车中已经开始使用电子镇流器驱动的HID灯作为汽车头灯的光源。Philips公司早在1991年就率先开始了氙灯用作汽车前照灯的实用化进程。在1992年和1993年，Philips公司分别与宝马公司和奔驰公司合作，率先为汽车配备氙灯作为前照灯。Philips德国亚深工厂是全球最大的车用氙灯生产基地，迄今已向市场提供了1000万只氙灯1。氙灯从汽车近光前照灯、远光前照灯发展到双氙灯前照灯，在技术上不断地创新。目前世界上著名的汽车品牌，如宝马、奔驰、福

14、特、欧宝、雷诺等多款新车型都配备了先进的双氙灯前照灯。2004年6月，Philips公司又率先推出了绿色无汞氙气前照灯。目前全球氙灯拥有量已达到50亿只之多，氙灯取代卤素灯式大势所趋，将成为21世纪新潮流。HID光源的汽车前照灯被誉为21世纪革命性汽车照明产品。全球具有实力的汽车氙灯制造商屈指可数，在技术上以德国Hella、日本松下和韩国KDG为代表，相关技术专利被这几大知名公司垄断。而国产氙灯厂商以中国广东为代表(其实是组装加工而成)，价格低、品质差。目前市场上众多的国产氙灯其实都是不同的经销商根据需要贴牌而成，价格在1000元左右。日本PIAA的双氙气灯售价要1万人民币以上，Philips

15、单灯售价要5000人民币以上，价格如此之高，导致一些中低档车主望尘莫及。表1.1列出了汽车前照灯所用的各类光源的发展过程。表1.1汽车前照灯中各类光源的发展过程Table 1.1 car headlamps in the development process of all kinds of light sources光源类别功率光通量（1m）寿命（b）年代卤钨光源5515502251962551450225196460/551650/1000150/8001969581500930199265/451200/700150/800199265160015019925510008001992气体

16、放电灯35320030001996带外光膜卤素灯60/552000/1300150/80019971.1.2 电子镇流器国内外研究现状 与荧光灯管相同，HID灯亦呈现一种负阻抗特性，需要镇流器以确保灯管稳定工作。电感镇流器存在绕组线径粗、体积较大、材料消耗多，自身消耗的功率较大(达到灯功率的15%更高)、温升高、功率因数低(O.30.4)等固有缺点，远不符合绿色照明的要求。以节能、轻便的电子镇流器代替传统的电感镇流器已经成为绿色照明工程中一项紧迫任务。电子镇流器一般使气体放电灯工作于高频，从而用较小的电感就能实现系统稳定工作，或是使用控制技术，使灯电流或者灯功率处于恒定状态，达到镇流效果电子镇

17、流器的快速发展，使荧光灯电子镇流器逐步占据主导地位，而HID灯电子镇流器将是未来的发展趋势。 用作汽车前照灯的氙灯电子镇流器，其电路结构与汽车金卤灯电子镇流器基本相同。但氙灯的触发启动电压达23kV，为金卤灯的46倍，因此氙灯触发器的设计有一定难度。目前世界上主要的车灯制造厂商，如Philips、Osram等已完成汽车氙灯电子镇流器的开发。而国内除学术单位在此领域有所研究之外，产业界投入者可谓寥寥无几。除了一些商业原因外，在技术方面，则因汽车氙灯电子镇流器的应用场合为高温恶劣环境，技术门槛较高。同时，也因许多关键性技术早已被开发出来，并已申请相关专利。这些因素造成进入此领域的困难相对增加。目前

18、国内所需氙灯电子镇流器基本为国外进口，因此国内汽车厂商需以较长时间及昂贵的价格取得氙灯电子镇流器。 我国直到90年代初才真正开始对电子镇流器的研究。90年代后期，随着绿色照明工程的实施，国内少数电源厂商如浙江阳光和深圳中电等在荧光灯的电子镇流器方面开展了研究，但与国外几大照明公司还有相当大的差距2。浙江大学、哈尔滨工业大学在高压钠灯镇流器研究方面取得了一些成果，台湾大学、成功大学、中南大学等一些学者主要研究荧光灯电子镇流器。从总体上看，目前国内研制的电子镇流器取得了很大进展，但对气体放电灯本身特性的认识以及如何设计高性能的电子镇流器的研究十分有限。电子镇流器作为开关电源的一种，由于其负载的特殊

19、性而与其它开关电源相区别。因此，电子镇流器的基本功能要通过对灯基本特性的研究得到。由于气体放电灯的种类繁多，使用的电子镇流器也各有差别。作为汽车氙灯电子镇流器，其性能要求必然要根据汽车氙灯的特性决定。1.2论文研究的内容与意义 1论文研究的内容 1）汽车氙灯及其镇流器原理 2）汽车氙灯电子镇流器主电路分析与设计 3）汽车氙灯电子镇流器控制系统分析与设计2.论文研究的意义 在理论分析的基础上，研究性能优越的汽车前照氙灯电子镇流器有很重要的实际意义。本论文拟设计一种数模混合恒功率控制的两级低频方波汽车氙灯电子镇流器，其具有元件少，效率高，控制精确的特点。38第2章汽车氙灯及其镇流器原理与特性电子镇

20、流器作为开关电源的一种，由于其负载的特殊性而与其它开关电源相区别。因此，电子镇流器的基本功能要通过对灯基本特性的研究得到。由于气体放电灯的种类繁多，使用的电子镇流器也各有差别。作为汽车氙灯电子镇流器，其性能要求必然要根据汽车氙灯的特性决定。本章在介绍氙灯发光原理与特性的基础上，分析汽车氙灯的工作模式及其对电子镇流器的基本要求，然后根据这些要求总结出其电子镇流器的基本结构及其设计难点。2.1 氙气灯的发光原理及特性2.1.1 氙气灯的发光原理 氙气是一种惰性气体，它在室温下是绝缘气体，在高压时电离成正负离子而具有导电性。汽车氙灯在灯管内除了填充800-900kPa的氙气外，还加入了少量金属卤化物

21、，用以提升发光效率，通过调节所添加的金属卤化物的种类与比例来决定光源的光色。所以，汽车氙灯是氙气灯与金属卤化物灯(MetalHalideLamps)技术的结合。如图2.1所示为气体放电灯灯管结构示意图。图2.2为Osram D2S 35W汽车前照氙灯实物图。灯管内的小玻璃球是石英玻璃电弧管，其内部充有氙气、汞和金属卤化物(绿色无汞氙灯不含汞)。图2.1气体放电灯结构示意图 图2.2氙气灯Osram D2SFigure 2.1 gas discharge structure diagram Figure 2.2 xenon lamp Osram D2S 氙灯的发光原理是：当灯泡阴阳极之间的电场加

22、至足够大时，灯内的物质被激发为等离子状态，造成原子放电，从而有电磁波辐射产生光源。氙气灯采用一个特制的镇流器，利用汽车12V电池产生23kV以上的触发电压使灯启动。启动后08秒的亮度是额定亮度的20，并使灯在4秒以内达到额定亮度的80以上。在灯稳定后镇流器向灯提供约85V的供电电压，保持灯工作在恒定功率状态。 HID的放电过程可以分为三个阶段： 1在外电场的作用下，自由电子被加速； 2被加速的自由电子与灯管内气体原子相互碰撞，当自由电子的动能大于气体原子中电子的最低激发能量时，电子吸收能量而被激发到不稳定的“激发状态”；3受激发的电子获得能量激发到更高的能阶，随后返回基态并将所吸收的能量以辐射

23、光的形式释放出来。同时，若电子碰撞气体原子的能量足够大，将使气体原子最外层轨道的电子脱离原子核引力范围而产生电离。电离所产生的电子又在电场中加速，并再次碰撞其他气体原子，造成再次电离，使得自由电子成倍增加，此过程称为“汤生雪崩”效应(Thomson Avalanche Effect)3。2.1.2 氙灯的特性 表2.1为传统卤素灯与汽车氙灯性能的比较，由该表可知汽车氙灯功率以35W为主，其色温可以达到4300K以上，接近正午日光的色温，发光效率更可高达90流明。汽车氙灯发光强度是卤素灯的3倍，发光效率可达卤素灯的4倍，寿命为卤素灯的3倍。图2-3卤素灯与汽车氙灯光照效果的比较表2.1传统卤素灯

24、与汽车氙灯性能的比较Table 2.1 traditional halogen lamps and car xenon lamp performance comparison光源种类卤素灯氙灯发光原理灯丝加热弧光放电色温(K)31004300以上光通量(Lm)70010003200消耗功率(W)5535发光效率(LmW)10290寿命(hour)3201000约3000汽车氙灯具有以下优越性能： 1亮度高：一般的55W卤素灯只能产生1000Lm的光，而35W氙灯能产生3200Lm的强光，亮度提升300，拥有超长、超广角、高清晰的视野，带来前所未有的驾车舒适感，大大减少行车事故率。 2寿命长：氙

25、灯无钨丝存在，在苛刻的路面条件下，不会因为灯丝的抗振性差而产生射光偏离或寿命突然终结的问题，因此寿命较长，约为3000小时，大幅度超越汽车夜间行驶的总时数，而卤素灯只有500小时的寿命。 3节能：氙灯只有35W，发出的是55W卤素灯3.5倍以上的光，大大减轻了汽车电力系统的负荷。 4色温性好：氙灯的亮度更高，光色更白，照射视野更远更宽，可减轻驾驶员的疲劳，保证行车安全。其色温有4300K-12000K等，6000K接近日光，而卤素灯只有3000K，光色暗淡发红。5显色性好：氙灯的光谱是所有人造光源中最像太阳光的，它有很强的连续光谱，而且光谱的分布不会因灯管电流或功率的改变而产生偏移，所以氙灯可

26、谓最佳的人造光源。图2.3卤素灯与汽车氙灯光照效果的比较Figure 2.3 halogen lamps with car xenon lamp lighting effects2.2 声谐振及其解决办法 声谐振是高强度气体放电灯高频下工作所遇到的特殊问题，它使灯电弧不稳定。其频段非常广，10kHz一1MHz都有分布，电子镇流器的工作频率又正好在声谐振的频段范围内。声谐振严重影响了HID灯的使用效果，因此，解决声谐振问题已成为电子镇流器的研究热点之一。2.2.1 声谐振产生的原因和危害 简单而言，输入灯管的能量周期性的变化造成灯管内的气体分子产生周期性的疏密，若气体分子撞击灯管的波形和反射回来

27、的灯管波形同相位，就会造成声谐振4。发生声谐振时，放电电弧不稳定，光输出闪烁、滚动，影响照明效果。其次，在某些声谐振频率下，放电电弧由不稳定变成稳定但有一定规则的变形电弧，使靠近电弧的管壁局部过热，引起放电管炸裂。最后，放电空间的气体形成稳定的压力波，使气体原子分布不均匀，导致管压升高，管电流减小，甚至导致熄弧，或者使电子镇流器损坏。2.2.2 声谐振的解决方法 目前提出的解决声谐振的各种方法均基于如下共识：存在一些高频频率工作点，即HID灯的声谐振特征频率，在这些工作点上。当输入的能量大于某一阈值时，就会产生声谐振现象。要消除声谐振，必须使引发声诣振的两个条件不能同时满足，即： 1使镇流器提

28、供给灯能量的频率落在声谐振频率带范围以外； 2使镇流器在声谐振频率点上提供给灯的能量小于产生声谐振的能量阀值。 基于此，人们提出了许多消除声谐振的方法，如选频法、直流点灯法、频率调制法、超高频点灯法、低频方波点灯法和声谐振反馈消除法等1选频法通过声学和热力学的方法，根据灯管和内部气体的参数求出声谐振频率点。当镇流器工作在各频率点之间的非谐振窗口时可以避免声谐振。图2.4所示为两种不同灯的声谐振窗口分布。图2.4两种不同灯的声谐振频率分布图Figure 2.4 two different distribution of acoustic resonance frequency modulatio

29、n 然而，灯的声谐振频率在频率递增和频率递减时不完全相同；对于不同型号、功率、厂家的灯，非谐振窗口都不同；即使同一个灯，在长期的使用过程中，其声谐振窗口也会发生变化。因此这种方法复杂且不可靠，在实际应用中并不适用。 2.直流点灯法 声谐振是由于输入高频能量的周期性变化引起的，如果给灯提供的能量为直流，显然没有高频能量，不会产生声谐振现象。但是直流会带来灯电极极化腐蚀的问题，因此这种方法通常只适用于一些特殊的HID灯。 3.频率调制法 频率调制法是将灯的输入能量以一个频率点为中心，在一个较宽的频谱上展开，降低每一个频率点上的能量分量，使之低于声谐振能量阀值。其缺点是只能减少声谐振频率点上的能量，

30、降低声谐振的概率，但不能彻底消除声谐振，并且引进了新的能量成分，改变了原有的能量频谱，甚至有可能调制前没有而调制后有声谐振。 4.反馈消除法 当灯发生声谐振时，灯电流会发生频率为520Hz的低频畸变，当检测到有低频电流波动时就可认为发生了声谐振，这时通过控制来改变逆变器的工作频率，直到不再发生声谐振为止。只要频率变化的步长足够小，总能够找到一个非谐振工作频率点，消除声谐振。 5.超高频点灯法 超高频点灯是使灯的工作频率超过声谐振的最高频率，至少在几百kHz以上，过高的开关频率将增加开关器件和磁性元件的损耗。因此必须仔细地选择拓扑结构，以得到较高的效率。 6.低频方波点灯法低频方波点灯法是通过加

31、入一个低频转换电路将直流转化为交流，避免了电极极化腐蚀，因为方波每个周期的能量固定，且工作于几百Hz的无声谐振区域，所以不会发生声谐振现象。图2.5为一典型的三级低频方波电路原理图，由功率因数校正(PFC)电路、DCDC变换器和低频逆变器组成。DCDC变换器中包含了电流或功率控制，以保证HID灯稳定工作。图2.5三级低频方波电路原理图Figure 2.5 level 3 low frequency square wave circuit principle diagram该电路所用元器件多、成本高，可靠性也相对较低，但随着专用控制芯片的不断出现，该电路也有广泛的应用范围。本文采用低频方波点灯法

32、来消除声谐振现象。23 汽车氙灯工作模式分析以下几节，首先介绍汽车氙灯的工作模式及其对电子镇流器的一些基本要求，然后根据这些要求总结出其电子镇流器的基本结构及其设计难点。汽车氙灯工作模式可分为暂态和稳态两种：从开始建立点火电压，经灯管激发，到灯管进入稳定工作前的时间段为暂态；灯管脱离暂态，进入稳定弧光放电阶段即稳态。氙灯从启动到进入稳态经过六个阶段，分别为：上电，点火，过渡，预热，升压，稳定。其V-I曲线也称VEDILIS曲线，如图2.6所示。各个阶段的工作具体描述如下：1.上电(Turn on)在氙灯点火击穿前，灯相当于开路。为了完成点火，镇流器必须有足够高的开路电压，并能持续几十毫秒的时间

33、5。此阶段主要是将储能电容充电至400V电压，提供足够的能量以建立高压击穿灯管。2.点火(Ignition)氙灯无论高温、低温状态都是高压启动，均需要23kV以上电压启动灯管。必须专门设计启动电路来产生所需的高压脉冲。3.过渡(Take over)氙灯点火启动后，灯阻抗急剧下降到几十欧姆，灯上流过十几安培的续接电流用来维持电弧放电，支撑灯电弧不至于熄灭。此续接电流一般由储能电容提供。4.预热(Warmup)由于汽车前照灯不允许长时间的低光效输出，为了快速达到100光输出，电子镇流器必需给灯提供较大的预热电流，来加速灯管达到热平衡。这个过程中，灯的两个电极近似工作在直流状态，轮流长时间工作，灯电

34、流达蓟26A，约十毫秒后，进入下一阶段。5.升压(Runup)灯预热后，灯电压缓慢上升，灯电流逐渐下降，输出功率也慢慢下降到稳态35W。电子整流器必需提供一个稳定的功率调整电路以免损坏灯管。6.稳定(Steadystate)大约经过6-8秒后，氙灯进入稳态。此时灯电压取决于灯的特性参数和寿命情况，一般稳态电压为85±17V。这时，灯应工作在35W的恒功率状态，功率过高会导致灯泡寿命缩短或提前损坏，功率过低又会导致灯熄弧或输出光通量偏低。2.4 汽车氙灯镇流器的基本电路结构 为了满足灯在启动与稳态时不同的要求，汽车前照氙灯电子镇流器的基本电路结构包含四个部分，如图2.7所示。各部分功能

35、如下1.DC-DC变换器：目前汽车所使用的电源为12V蓄电池，而灯管稳态电压有效值约为85V，因此必须经过一级升压电路升高电压，以提供稳态工作所需要的电压与启动电路所需的高压。2.高压启动电路(ignitor)：由于需要高压脉冲使灯击穿并开始放电，因此需要高压启动电路。DC-DC升压电路提供一个约400V的开路电压至高压启动电路，高压启动电路一般采用一级或两级升压的方式来产生23kV以上的高压脉冲。图2.6氙气灯从启动到稳态的V-I曲线Figure 2.6 xenon lamp from the start to the steady state V - I curve图2.7汽车氙气灯电子镇

36、流器基本结构框图Figure 2.7 automotive xenon lamp electronic ballast basic structure diagram 3.DC-AC逆变器：DC-DC升压电路的输出为直流电，必须使用逆变电路使其转变为灯管正常工作时所需的交流方波电流。逆变电路一般采用全桥逆变器，它给灯管提供低频交流方波电流。方波电流可使灯电流波峰因数接近1，可使每个工作周期灯管功率为固定值，无瞬时功率变化，因此不会产生声谐振6。4.控制与保护电路：灯管启动时控制启动电路；灯管点亮后，检测是否有过压、短路发生。通过检测灯电压与电流的信号，来控制驱动和保护电路，使灯管能稳定工作。2

37、.5汽车氙灯对镇流器的要求及其设计难点汽车氙灯电子镇流器的设计难点主要在于1启动过程的复杂控制以及稳定状态的恒功率控制 由于汽车氙灯启动的暂态过程极为复杂，根据灯在启动过程中状态的变化，须采取的控制方式有电压控制、电流控制以及恒功率控制，而且各个状态差异很大，如何简单、有效、精确地实现这些控制是设计汽车氙灯电子镇流器的难点。2产生足够高的触发启动电压冷灯、热灯启动均需要23kV左右的脉冲电压，如何简单、有效地产生这么高电压的脉冲是研究重点，而且还须考虑高电压时的绝缘抗干扰问题及其对其它器件的影响。3高可靠性镇流器必须具备异常情况的保护功能，包括过压、欠压、开路、短路等保护功能。汽车氙灯及其电子

38、镇流器对可靠性的要求非常高。第3章 汽车氙气灯镇流器主电路分析与参数设计3.1镇流器主电路图3.1所示的汽车前照氙灯电子镇流器电路框图分为7个主要部分：反激变换器、输出倒相接地、电流续接回路、ignitor启动电路、全桥逆变器及其倒向驱动电路、PWM控制器(本文中PWM控制器集成在微控制器中)、汽车电池反压保护电路。图3.1汽车前照氙灯电子镇流器电路框图Figure 3.1 before car xenon lamp electronic ballast circuit diagram在图3.1中，输入Vin接电池，经过反压保护电路，再经过反激DCDC变换器变为直流稳压输出，最后经过全桥逆变器

39、与灯相连接。通过间接或直接检测灯的电压电流状态，将检测得到的信号送入PWM控制器。PWM控制器产生的PWM信号控制开关S2的导通和关断。另外，根据灯的不同状态，全桥逆变器的驱动电路产生不同的控制信号驱动开关S4、S5、S6、S7。对于图3.1所示的系统，输入输出有四种变化状态，即输入固定输出固定、输入固定输出变化、输入变化输出固定、输入变化输出变化。每一种状态都有相对不同的工作情况。由于电路的输入接蓄电池，随着电池放电，其输入电压不断变化。另外，由于电路的负载是灯，由前面几章的介绍可以知道灯的特性在整个启动过程中是不断变化的。可见，系统的输入和输出都是变化的量。为了不失一般性；考虑到输入输出的

40、变化因素，汽车前照氙灯电子镇流器的主要技术规格如表3.1所示表3.1汽车前照氙灯电子镇流器的主要技术规格Table 3.1 before the car xenon lamp electronic ballasts according to the main technical specifications灯的不同阶段参数规格上电空载开路电压大于370V起动时间30ms点火脉冲高度23KV脉冲宽度1s max脉冲频率20Hz Min过渡灯续接电流2.6Amin-12Amax电流续接时间300s max预热灯预热电流2.6Amax预热持续时间每个半周约10ms预热电流积分时间12min-30 m

41、ax mA*s升压灯升压电流2.6Amax升压持续时间6-12s升压阶段灯功率等灯电压达到50V后为70Wmax稳压输入电压范围9-16Vdc灯额定功率35±2W灯电流额定值400mA灯电压额定值85±17V灯电流频率250-10000Hz电流过零斜率100mA/s min总效率80%根据表3.1所列出的技术规格和图3.1所示的汽车氙灯电子镇流器电路框图可以进行电路的设计。首先进行主电路参数的设计，包括工作模式的选择，占空比的确定，主电路元件的选择。在进行设计前，做以下约定：主电路的设计以效率为第一考虑因素，但是所有器件的设计都要考虑最恶劣的工作情况。3.2镇流器主电路分析

42、 在了解氙灯及其电子镇流器的原理与特性的基础上，本节以优化灯的启动过程，延长灯的寿命，提高电子镇流器和灯之间的匹配性为出发点，对氙灯电子镇流器主电路一些关键电路和参数进行了分析。3.2.1反激变换器及其漏感能量吸收电路 氙灯电子镇流器在电路结构上一般分为两级，第一级为DC-DC变换电路，第二级为全桥逆变电路。为了避免声谐振，全桥逆变电路一般工作在低频模式。DC-DC变换电路是电子镇流器的重要部分，它实现灯电压、电流和功率的控制。目前，汽车HID灯电子镇流器中普遍采用反激变换器实现DC-DC变换。当开关管导通时，反激变换器的变压器储存能量，负载电流由输出滤波电容提供；开关管断开时，变压器将储存的

43、能量传递给负载和输出滤波电容，以补偿电容单独提供负载电流时消耗的能量。反激变换器的主要优点是不需要输出滤波电感，减小了变换器的体积，降低了成本。图3.2所示为基本反激变换器电路7。图3.2反激变换器电路Figure 3.2 flyback circuit 反激变换器具有成本低，体积小，易于实现多路输出等优点，因此被广泛应用于中、小功率(100W)的电源中。3.2.2高压启动电路分析氙灯高压启动电路(ignitor)也称作点火器、启动器或触发器，它实际上是一个高压产生器。氖灯无论高温、低温状态下均需要23kV以上电压启动灯管。荧光灯启动电路大多采用LC串联谐振网络，当LC电路发生串联谐振时，并接

44、于灯管两端的启动电容上产生lkV左右的高压脉冲，使灯管击穿而引燃。但此法难以产生4kV以上的高压，并且小体积和小容量的电容，不能承受很高的电压，所以并不适合于氙灯。氙灯多用脉冲变压器式启动方式，通过在升压变压器原边施加一幅值为几百伏的电压脉冲信号，在脉冲变压器的副边获得高达几千伏的高压脉冲来启动氙灯。这种启动电路不仅可以保证有足够高的电压使灯正常启动，还可以有效地避免高压脉冲串入逆变回路，造成开关器件损坏。3.2.3电流接续电路对灯启动的影响启动期间，电子镇流器要经历高压击穿、电流续接、预热维弧3个阶段续接阶段中，由于灯的电极温度还不足以保证灯进入弧光放电状态，因此灯交替工作在辉光放电和弧光放

45、电之间。如果灯长时间工作在辉光放电状态，灯阴极发射材料将会发生溅射，导致灯寿命的缩短，因此必须尽量缩短辉光放电的时间。氙灯的辉光工作时间一般控制在几十ms至几百ms之间。在灯击穿以后，首先是输出电容Co放电，Co电压从400V左右下降到20V左右。由于Co的值不可能很大，因此Co的放电电流只能维持很短的时间。启动至辉光放电后，惯性和滤波延迟使DC-DC变换器和检测回路很难有较快的响应速度，不足以在Co放电电流减小到零以后立即给灯提供电流，因此灯不能进入弧光放电的状态，严重的情况下将会熄灭。为了避免灯启动后长时间工作在辉光放电状态或者熄灭，必须向灯提供额外的电流，以保证灯电极的温度能够迅速升高。

46、电流续接电路可以实现此功能，它可将电容预先储存的能量为灯提供约300Fs的瞬间电流，保证辉弧可靠过渡。电流续接电路一般接在输出电容和全桥逆变器之间，它只在灯启动后很短暂的一段时间内向灯提供能量，正常工作时则不参与工作。带电流续接电路的电路图如图3-3所示。图3.4是电流续接电路的一些具体实现方式。在这些电路中都包括储能电容和一个开关器件如二极管，稳压管，或者MOSFET。其中储能电容能够在灯启动后提供很大的启动电流，而开关器件则保证在灯进入稳定工作后把电容从电路中隔离出来，从而不影响电路的正常工作8。在加入电流续接电路以后，灯启动阶段各部分电流波形如图3.5(a)所示。图中曲线A是DC-DC变

47、换器输出电容的放电电流。由于电容值比较小，且刚击穿时灯电阻很小，因此电容的放电电流幅值高，持续时间很短。曲线B是电流续接电路的放电电流，一般电流续接电路的放电回路中都串连一个电阻，该电阻能够限制放电电流的幅值，并延长放电电流持续时间。曲线C是DC-DC变换器的输出电流，由于受变换器响应速度的限制，变换器在灯击穿以后经过一段时间才能有一定的电流输出。图3.5(b)是灯电流的波形，它实际上是上述三个电流的叠加。图3.3带电流续接电路的电路图Figure 3.3 characters with current circuit diagram of the circuit图3.4电流续接电路的一些具体

48、实现方式Figure 3.4 current circuit of the characters of some concrete implementation ways图3.5灯启动阶段各部分电流波形Figure 3.5 lights in all parts of startup phase current waveform因此，在启动过程中，如果没有电流续接电路，当输出电容的放电电流减小到零而变换器还没有输出电流的时候，灯电流就会有死区。一旦灯电流死区过长，灯就会熄灭，从而进入下一个启动过程，直到经过很多个周期后灯才能顺利启动。3.3镇流器主电路参数设计3.3.1反激变换器设计氙灯在稳态

49、工作时的灯电压是由其本身的物理性质所决定的(一般在85V左右)，因此可以通过控制输出电流来实现灯的恒功率的控制。由文献可知，采用DCM模式时，输入输出电压一定的前提下，输出电流的峰值与占空比成正比，所以工作在DCM下的反激变换器可以通过调整占空比来快速地调节输出电流峰值的大小，进而实现对输出功率的控制9。根据以上分析，本文选择反激变换器工作在DCM模式，技术要求如下：Vf =9-16Vdc Vin=12V V0=85±17V P0N=35W I0=0.41-2A f=100KHz设计步骤如下：1.选定变压器磁芯。根据功率和频率等级(35W，100kHz)，选择RMl0磁芯，参数如下：

50、Ap=0.413cm4 Aw=0.426cm2 Ae=0.970cm22.计算变压器的原边匝数和线径。Np =Vin min*Tonn minAe*B =3.526 （3.1）其中丑为磁芯振幅，B的取值一般为0.1到0.2之间，B的取值越小，变压器的铁损就越小，但相应变压器的体积会越大，折中考虑，这里取B=0.15对Np取整，得Np=4（匝）3.线径由电流有效值确定，若电流密度为400A/cm2通过5576A电流时需要的密尔为：5576Ax400 c·mA=22304c·m参阅重薄膜绝缘导线参数表，选择规格为AGWl6#的导线。4.确定次级绕组的匝数和线径。副边匝数：Ns

51、=28.533其中VF基管压降。取整数，Ns为29匝。副边电流有效值：I1 =0.668A由0668Ax400 c·mA=2672 c·m 于是选择规格为AGW25#的导线。3.3.2开关管和整流二极管的设计1.功率MOSFET的选择功率MOSFET的选择可根据其最大开关电流和阻断电压。最低、输出功率最大时，MOSFET有最大开关电流： IPmax =P0maxVin min*D=17.057A (3.2)当输出空载时，MOSFET具有最大阻断电压： Vmax =V0 openNsNp+Vin max=71.17V (3.3)根据式(3.2)、式(3.3)，再考虑通态损耗，

52、选择容量大、通态电阻小的功率MOSFET，实验中选择IRF3710(100V57A， =23m2.输出二极管的选择输出二极管的选择仍然可以根据其最大开关电流和阻断电压来选择，当输入最低、输出功率最大时输出二极管具有最大开关电流： Idmax =IpmaxNsNp=2.35A (3.4)当输出空载时，二极管具有最大阻断电压： Vdmax=400V (3.5)根据式(3.4)、式(3.5)，再考虑过压尖峰，选择的输出整流二极管为RHRP860(trr<30ns，IFYAVY =8A，VB =600V)。3.3.3逆变器及其驱动电路设计1.全桥逆变电路开关的选择全桥逆变功率MOSFET的选择可

53、以根据其最大开关电流和阻断电压来选择，由于开关工作在低频状态，可以选择普通的MOSFET。由前面的分析可知，开关的最大电流为 2.6A，最大阻断电压为400V，考虑一定的余量，实验中选择IRF840(500V/8A， 0.85)。2. 驱动电路设计本文采用UBA2030T作为全桥驱动芯片，全桥倒向驱动电路如图3.6所示10。UBA2030T的工作电源可以直接取于直流母线。由于倒向驱动的需要，高压电源输入HV端与电路地连接。电路中A与B和全桥的两个中点相连。C22和C23是自举电容。芯片输出四个驱动信号：H-R、H-L、L-R、L-L，其频率由RoscCosc 决定，表达式如下F = 12.82

54、RoscCosc (3.6)因f=400Hz，取Rosc=430k，解得Cosc=2nF。同一桥臂开关驱动信号的死区时间tdead 由电阻tdead 如决定，表达式如下 Rdt =270tdead -70 (3.7)取tdead =1s，解得Rdt=220k 图3.6中还有直流驱动控制端DC，当它的信号为高电平时，芯片内部的RC将停止振荡，桥中有一对开关将一直保持导通状态直到该信号变为低电平。 图3.6 UBA2030T全桥倒向驱动电路Figure 3.6 uba2030t backward driving circuit of the whole bridge第4 章汽车氙气灯镇流器控制系统分析与设计氙灯负载的特殊性决定了其镇流器控制系统的复杂性，本章通过在分析氙灯启动、稳态过程的控制方式的基础上，比较了三种控制方法的优缺点，对控制电路的硬件和软件进行了分析和设计。4.1 控制策略的分析4.1.1 汽车氙灯启动过程的控制汽车氙灯的启动是一非线性过程，其输入阻抗在进入稳定工作前要经历剧烈的变化，进入稳定工作后要维持恒定功率状态。因此镇流器的设计目标是要与氙灯灯管从触发直至维持恒定功率状态的工作过程中始终保持良好的匹配。镇流器控制时序图如图4.1所示。图4.1 镇流器控制时序图（用直流表示）Figure 4.1 ballast control sequenc