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1 引 言 目前，HID汽車前照燈以其光效高，顯色性好，壽命長等優點得到了廣泛關注。與之配套的電子鎮流器也成為當前電源研究中的一個熱點。由于大部分汽車HID燈是交流燈，因此電子鎮流器必須提供交流電流和交流電壓。大多數兩級式的電子鎮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，經常采用低頻交流方波供電的策略，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定階段的工作模式都還存在著很大的不同。總結如下：①在啟動階段，選擇某一對角開關開通，以保證可靠啟動。②在預熱和維弧階段，通常只需一個周期，即可保證輝光向弧光的穩定過渡。一個周期的長度與燈啟動時刻的狀態，即冷燈啟動。還是熱燈啟動有關，也與燈的老化程度有關。一般來說，冷燈啟動時，預熱的周期短，而燈熄滅后，短時等待再啟動情況下的周期長；老化嚴重的燈預熱周期長。為了避免電極的不對稱燒損。控制程序必須保證每個半波中的電流即時間積分相等。③在過渡期間和穩態期間，逆變頻率約為400Hz，占空比為50％。 為產生較好的方波電流以及兼容預熱期間的長周期，通常采用的是全橋逆變電路拓撲。在全橋電路中，必須仔細考慮兩個上部開關管的驅動方案。對此，①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。②如果采用集成自舉芯片，如：IR2110或BA2030等，則因自舉電容需要預充電。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計，因而電容體積也不可能過小。③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建自舉驅動電路的方案，該方案雖會增加元件數量，但不會增加太多的電路面積，而且還可增加設計的自由度。采用提出的自舉驅動電路．其驅動靈活．非常適合低頻逆變器的應用。 2 交流方波逆變電路分析 全橋逆變電路的負載由電感和電阻串聯而成。電感不僅是高壓發生器中高壓變壓器的次級．同時也是鎮流電感。逆變橋相當于加在負載兩端的交流矩形波電壓us=±ubus。在任一時刻，交流矩形波電壓均滿足： 說明在t(0+)時刻，電流變化率，即由負變正的上升率最大，uL也最大，隨著負向電流的逐漸減小，電阻兩端的負電壓降絕對值逐漸降低，由式(8)可知，uL也逐漸減小，從而按式(6)，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，而后電流變為正，此后電阻兩端的電壓uR反向變為正電壓，uL繼續降低，iL的上升率也繼續降低。直到uR=ubus時刻，uL=0，iL才不再變化，從而達到正向穩態，穩態電流可表示為： 要保證得到方波電流和電壓．必須使過渡時間與穩態時間相比可以忽略。對此應綜合考慮下述兩個因素。①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。在穩態時等效阻抗最大，所以只要按照最小等效阻抗選取電感值，就能兼容過渡和穩態兩種情況。②電感值的選擇應考慮周期和頻率的選取。在燈的運行過程中，400Hz約是最高頻率，因此只要按照400Hz設計電感值，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果，電感值有意設定得比較大。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690μH。 3 分立元件自舉逆變電路設計 圖2示出采用分立電阻的自舉驅動逆變電路拓撲。它由分立元件組成，其特點是：①驅動電路的電源地與逆變全橋的母線電源正接在一起．使得控制電源懸浮在母線電源之上；②主晶體管VQ1工作在截止和放大狀態，而非完全的開關狀態。在對橋臂開關施加開通信號期間，工作在恒流狀態下：施加關斷信號期間，工作在截止狀態下。 圖3示出無穩壓管的自舉驅動電路。當驅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．橋臂開關管VT1的柵源驅動電壓 ugsVT1=0，VT1不導通。這時，無論VT1是上部開關管，還是下部開關管，VQ1的端電壓uebVQ1也都等于Ucc+Ubus。 當驅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： 這一恒定電流IR1也要流經R7，所以R7的端電壓即為ugsVT1。各電阻值的設定一定要使R7的端電壓和柵源極電壓滿足驅動的要求。這樣，R1的端電壓和電流都是恒定的。即： 另外需注意的是，橋臂上下兩個開關管的驅動電路中主晶體管的端電壓uebVQx的波形差別非常大．這是因為自舉驅動電路的控制電源與全橋母線電源是串聯的。對于上部開關管而言，當產生開通驅動信號時，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： 這是一個較低的電壓。在VT1關斷期間，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： 對于下部開關管而言，產生關斷驅動信號期間，端電壓也滿足式 (13)，但在產生開通驅動信號期間，由于下管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 4示出根據圖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、下部驅動電路中主晶體管VQ1的端電壓uceVQ1和上、下部 VT1的柵源極驅動電壓ugeVT1波形。可見，母線電壓波形主要降落在主晶體管上。在驅動波形上體現不出來。仿真結果與分析結果完全吻合。 綜上所述，該電路中的電阻值需仔細設計。設計原則是：①在開通驅動期間．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，并符合驅動要求，而且應盡量小，以降低晶體管的功耗：②驅動電流要合適。 4 試驗驗證 圖5a示出設計的電子鎮流器在穩定工作期間，逆變電路的燈電壓ulamp和燈電流ilamp實測波形。由圖可見，設計的自舉驅動電路完全能滿足全橋驅動的需要。圖5b示出電子鎮流器在啟動和預熱期伺逆變電路的ulamp實測波形。由圖可見，自舉驅動電路不僅能滿足在啟動期間使某一對角主開關管始終導通．另一對角主開關管始終關斷的控制要求，而且在預熱維弧階段，還能滿足自適應相對更加低頻的要求。 5 結 論 對HID前照燈電子鎮流器采用后級逆變電路的自舉驅動電路進行了定量分析：提出了電路設計和元器件選取原則；給出了仿真結果和實驗波形。實驗證明．所采用的自舉驅動電路能夠很好地完成電子鎮流器的工作要求。設計的逆變電路用自舉驅動電路可以滿足啟動階段頻率的靈活調節。 |
