汽车头灯电子镇流器的设计报告剖析

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1、基于新型小功率汽车头灯电子镇流器的设计报告目录绪论 31 电子镇流器的概述 41.1 电子镇流器概念 41.2 交流电子镇流器的组成及其优点 41.2.1 交流电子镇流器的组成 41.2.2 交流电子镇流器的优点 51.3 电子镇流器的发展 62 一种数字化小功率金卤灯电子镇流器的研究 82.1 拓扑结构、工作方式及控制策略 82.2 仿真及实验结果 1.1.2.3 结论 13结束语 14参考文献 15插图索引图1电子镇流器组成方框图 4图2荧光灯光效随频率变化曲线图 5图3主电路的拓补结构 8图4并联负载谐振电路 8图5u 和逆变电路 f 的关系 9rc图6半桥双 Buck 电路 10图7控

2、制程序框图 10图8不同状态下的仿真结果 12图9稳态是 MOSFET的ugVQ1和ugVQ2波形13绪论现在， 汽车头灯电子镇流器还存在的体积大， 设计成本高，复杂等问题，现在较多的使 用在高档的汽车场合。 所以， 开发高性能、 低成本的汽车头灯电子镇流器具有巨大的研究意 义与实际价值，具有着相当好的应用前景。 20 世纪 80 年代，有精确尺寸的低功率小型石英 金属卤化物灯在设计和生产两方面都获得了突破。 同时，随着人们生活及交往节奏的加快和 高速公路的建成， 要求不断改善汽车夜间驾驶的安全性， 为此需要有良好的前照灯视觉构造， 因此世界各国开始用小功率氙金属卤化物灯代替常规的卤钨灯作为汽

3、车前照灯的光源。 通过 在灯中充入几个大气压的高压氙气作为启动气体来满足汽车前照灯瞬时发光的要求。目前， 高强度汽车头灯电子镇流器系统是研究热点之一， 但是这种电子镇流器设计复杂， 价钱昂贵， 且体积较大，只适用于高端汽车等应用场合。 显然，若能减小其体积和成本，其需求量将大 量上升，因此有着相当好的应用前景！高强度气体放电灯由于它的发光效率高、 色温好、 寿命长等优点， 已经被广泛地应用于 广场、道路照明等场合。 而其中的金属卤化物灯由于拥有诸多优点更被认为是最好的人造光 源之一。 但是， 由于金卤灯的负阻特性和特殊的启动要求， 必须和与之相匹配的镇流器共同 使用。 而金卤灯是一种第三代电光

4、源，因其光效高，寿命长， 在绿色照明中扮演了越来越为 重要的角色。 电子镇流器作为一种节能照明电器， 已成为实施绿色照明的重点内容之一。 对 比于传统的电感式镇流器， 电子镇流器有着许多优点， 对它的研究和开发也是电力电子行业 的一大热点。 如电子镇流器的体积和重量大大减小， 能够提高网侧电能质量， 改善照明质量。 但是，现在市场上普遍应用的是电感镇流器，主要原因是结构简单，可靠性高，价格便宜。因此， 对金卤灯电子镇流器的开发提出了更高的要求， 即必须满足能可靠地启动金卤灯； 提 供恒定的额定功率；必须消除声谐振现象；具有保护功能。本文首先提出了采用模拟控制的汽车头灯电子镇流器；介绍了其基本原

5、理和设计方法， 它包括基本电路结构和主电路拓扑的选择。 此外， 由于疝灯的启动暂态过程极其复杂， 因此 如何较好地完成灯启动过程的控制是一个难点。文中给出了其恒功率切换及点火控制方案。 最后， 通过汽车头灯电子镇流器的样机制作， 较好地完成了包括恒功率环切换， 较高点火电 压等灯从启动到稳定的各个控制任务。 然后采用数字控制， 研究了一种新型的具有异常状态 自动保护和稳态灯功率闭环的小功率金卤灯电子镇流器， 分析其电路结构、 工作原理和控制 程序。启动阶段采用并联负载谐振电路，稳态阶段采用半桥双 Buck 电路。采用 3 次谐波谐 振方式可以降低启动电流， 采用启动电压限幅值控制滑频截止点可以

6、克服元件参数离散性的 影响。采用低频方波方式可有效抑制稳态的声谐振。 仿真及实验结果证明了该电路的有效性。本文通过模拟控制和数字控制两种方法对汽车头灯电子镇流器进行了设计与研究， 并指 出了其中的优点和缺点，新型的金卤灯电子镇流器的优越性，必将取代传统的电感镇流器。 目前在技术上的难点有如怎么让电子镇流器结构设计的简单， 成本低一些， 启动过程中的控 制等等，还有待进一步的研究和设计！1电子镇流器的概述1.1电子镇流器概念镇流器是气体放电灯用于启动和限流的控制器件 ，由于气体放电灯具有负伏安特性，要配 以镇流器来启动灯的放电和限定灯内惰性气体电离升温并使水银蒸气压上升 ，当电子轰击汞蒸气放电后

7、生成的紫外线激发荧光灯而发光，启动完成后镇流器起限流器的作用 使灯开始正常工作。1.2交流电子镇流器的组成及其优点1.2.1交流电子镇流器的组成交流电子镇流器是将工频（50/60HZ ）交流电变成较高频率的交流电，并能使一个或几 个荧光灯正常启动和稳定工作的变换器。交流电子镇流器的核心就是高频变换电路。交流电子镇流器的基本功能方框图如图1所示。图1电子镇流器组成方框图在图1中，工频（50/60HZ）市电电压在整流之前，首先经过射频干扰（ RFI ）滤波器滤 波。RFI滤波器一般由电感（L）和电容（C）元件组成，用来阻止镇流器产生的高次谐波反馈到输入交流电网， 以抑制对电网的污染和对电子设备的干

8、扰，同时也可以防止来自电网的干扰侵入到电子镇流器。对于高品质的电子镇流器，在其全桥整流器与大容量的滤波电解电容器之间，往往要设置一级功率因数校正（PFC）升压型变换电路。其作用就是获得低电流谐波畸变，实现高功 率因数。DC/AC逆变器的功能是将直流电压变换成高频电压。高频变换部分的核心是功率 开关元件。可作为开关使用的晶体管有双极型功率管、金属一氧化物一半导体场效应晶体管（MOSFET ）、静电感应晶体管（SIT）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT ）等。逆变电路的开 关频率一般为2050KHz，输出波形取决于电路结构的选择。DC/AC逆变电路主要是半桥式逆变电路型式。高频电子镇流器的输出级电路通

9、常采用LC串联谐振网络。灯的启动必须通过LC电路的发生串联谐振，利用启动电容两端产生的高压脉冲将灯引燃。在灯启动之后， 电感元件对灯起限流作用。由于电子镇流器开关频率达几十千赫兹，故电感器只需很小体积即可胜任。为使电子镇流器安全可靠地工作，还要设计辅助电路。有的从镇流器输出到DC/AC逆变电路引入反馈网络，通过控制电路以保证与高频产生器频率同步化。目前比较流行的异常状态保护电路，是将电子镇流器的输出信号采样，一旦出现灯开路或灯不能启动等异常状态，则通过控制电路使振荡器停振，关断高频变换器输出，从而实现保护功能。1.2.2交流电子镇流器的优点与长期使用电感式(亦称电磁式)镇流器比较，电子镇流器具

10、有如下突出优点：1 节电效果显著。电子镇流器的节电特征主要表现在以下三个方面：(1) 增加光输出，提高灯光效。事实上，影响荧光灯光效的许多因素是由设计者和制 造者决定的，用户无法控制。但荧光灯的发光效率受供电频率的影响，而该因素是可以控制的。对一些荧光灯的研究发现，荧光灯交流供电频率从50Hz增加到20KHZ以上时，灯光效一般可提高10%。在输入功率不变的前提下，荧光灯光效( n)随频率(f)变化曲线如 图2所示。很显然，对于同样的光输出，采用电子镇流器取代电感镇流器后，输入功率可以减小。图2荧光灯光效随频率变化曲线图(2) 自身功耗低。各种气体放电灯电感镇流器功耗一般约为灯功率的20%。40

11、W荧光灯电感镇流器一般为 8W，只要不大于9W即可符合产品标准要求。而这种灯用的电子镇流 器功耗可低至4W以下。对于双管58W、1500mm飞利浦出品的节能型荧光灯，当采用电感镇流器时，则需要 2只，每只镇流器功耗达 13W，两只则为26W。但若采用电子镇流器， 只需要一个则可驱动与控制 2只灯，镇流器功耗仅约 8W。毫无疑问，双管及双管以上荧光灯采用电子镇流器后， 节电效果更加明显。双管荧光灯电子镇流器电路与单管荧光灯电子镇 流器电路比较，不同点只不过是在DC/AC逆变器输出端多并接一个 LC串联支路。在电子镇流器自身损耗相同的情况下，灯功率愈大，节能效果则愈显著。(3) 具有高功率因数。大

12、家知道，荧光灯采用电感镇流器，功率因数一般仅为 0.50.6。 而采取功率因数校正措施的电子镇流器，系统功率因数很容易达到 0.9以上,甚至能达到非常 接近于1的水平，这是采用电感镇流器难以实现的。线路功率因数的提高，在同样的发电和变电设备条件下，能够有效地提高供电能力和电源利用率，改善供电质量，节约大量的电能。2体积小、重量轻、无闪烁、无躁声。在工频条件下使用的电感式镇流器，大而笨重， 要消耗掉大量的钢材和铜材，而且会使灯产生频闪效应，还会发出令人烦恼的蜂音。电子镇流器在 20KHz 以上的高频下工作，消除了躁声和灯闪烁现象，避免了对人的噪音干扰和眼 疲劳。在高频下电子镇流器只需采用很小的磁

13、性元件，使重量大为减轻。 16W2D 型节能灯 电感镇流器重约 400克，而该灯电子镇流器仅约 40克。40W荧光灯电感镇流器约重 900克, 而相应的电子镇流器仅重 150200 克。电子镇流器体积的缩小， 自镇流荧光灯实现了灯和镇 流器一体化，使用 E27 螺口灯头或 B22 卡口灯头，与白炽灯座通用，能直接替换白炽灯， 安装与更换十分方便。3在较低的电源电压下可使荧光灯启动。电感镇流器在电网电压降至190V 以下时，则不能将灯启动。目前我国电力供求矛盾仍然比较突出，在很多地区， 尤其是广大农村，线路电压往往远低于 220V 的额定值。在用电高峰期，交流供电电压低于 160V 的情况经常发

14、 生。很多用户因使用电感镇流器， 由于在较低电压下不能将灯点燃是常感到恼火。 而采用电 子镇流器，即使电源电压降至130V，在室温下仍可以正常点燃。电子镇流器的这一特点，在我国倍受用户青睐 2 。4汽车头灯使用卤化物灯的优点 汽车前照灯应用小功率金属卤化物灯有如下许多优点其性能超过过去袭用的卤钨灯：（1） 汽车前照灯的功率损耗降低。（ 2）体积大大减小，可显著改善汽车空气动力学性能，有利于高速驾驶。（ 3）光输出和光源亮度大大增加，使照射可见区域增大，道路及障碍视见度提高。（4）延长了灯的使用寿命，降低了光输出的衰退速度，从而改善了交通安全性， 同时降低了维护和保险费用。1.3 电子镇流器的发

15、展由于高频电子镇流器较之工频电感镇流器具有一系列优点，故自其问世以后， 在世界范围内尤其是在一些工业发达国家中迅速得到推广应用。微电子技术突飞猛进地发展， 促进了高频电子镇流器性能及可靠性的不断提高。 世界很 多著名半导体厂商， 都看准了电子镇流器所面临的巨大商机， 争先恐后地推出了电子镇流器 专用功率开关器件和控制集成电路（IC）系列产品，使电子镇流器在技术上不断得到创新。就电子镇流器用功率开关器件来说，不仅有高压高速双极型晶体管，而且还有各种MOSFET 和 IGBT 等场控型功率器件可供选用，并且日益显示出其优越性。80 年代初，飞利浦公司采用 120 余只元器件，开发了 BHF132H12 单管 32W 及 BHF232H12 型 32W 双管 荧光灯电子镇流器。这种镇流器是迄今利用分立元器件设计的功能最完善的代表性产品。1984 年，西门子公司以高频电子镇流器中采用分立元器件设计的有源功率因数校正（ APEC）电路为基础，率先开发出 TDA4812等APFC控制器IC,并成功地应用到电子镇流器中，使 系统功率因数达 0.99以上。从 80年代中期开始，尤其是 90年代，由于电子镇流器的 IC 系 列品种繁多。除了