基于HID灯数字控制的最大功率输出研究

郑会军，周玉荣

（攀枝花学院 电气信息工程学院，攀枝花 617000）

0 引言

HID灯的工作模式可分为暂态和稳态，从开始建立点火电压激发灯管点亮，当灯管进入稳定工作前的时间段称为暂态；当灯光进入稳定弧光放电阶段称为稳态。灯从启动到进入稳态经过六个阶段：上电、点火、过渡、预热、升压和稳定。本文将对稳态阶段的功率控制进行分析和研究[1,2]。

HID灯进入稳态后，灯管等效电阻会因使用条件不同而有所差异，所以灯镇流器所供应的电源需符合灯管电阻变化的特性。传统的稳态控制方法有恒电压、恒电流和恒功率三种。恒电压控制是反馈灯管电压，并将其控制在一定范围之内，但随着灯管使用时间增加，灯管功率将小于额定功率值，会造成灯管输出流明数不足，灯的输出功率减小；恒电流控制是对灯管进行电流控制，同样随着灯管的老化，灯管自身消耗热量增加，而发光亮度减小。恒功率控制是同时检测灯管电压和电流，将灯管功率消耗控制在一定值。但是随着时间的推移，恒流和恒压控制将使灯的发光度减小，恒功率控制也存在当灯管老化，电阻增加时，灯管的发热增加，同时也造成灯管的发光度降低。针对传统控制方法存在的不足，本文提出用最大功率跟踪的控制方法控制灯的稳态运行，最大功率跟踪控制能确保HID灯始终发出最大的亮度[3～6]。

1 HID灯输出功率特性曲线分析

下面对HID灯输出功率和电压进行理论分析。

图1电路是目前应用比较广泛的一种恒功率控制实现方式，TI公司生产的 HID灯专用控制芯片恒功率控制电路。我们对该电路进行分析。在图1中，KiI0是电流采样反馈信号，KvU0是电压采样反馈信号，Ki和Kv分别是比例系数。

图1 HID灯恒功率应用电路

由图1可得：

因此，流过R1、R2的电流I1、I2分别为：

因此有：

输出功率为：

取Ki=1，Kv=10，Uref=3V,令R1/R2=X，则有：

这是一条以P0(W)为纵轴，U0(V)为横轴的抛物线，如图2所示。在抛物线顶点始终有：

图2 HID灯功率曲线

从图2中可以看出，电压在V1→V2区间，只要控制输出电压的大小，将会使灯输出近似恒定的功率。金卤灯的额定工作电压一般在85V左右，如果选择适合的参考值α，就可以使灯正常工作时位于抛物线顶点附近。可以认为，输出电压在该区域内变化时，输出功率近似为恒定。该技术有很好的瞬态响应性能，但是它要求灯管等效阻抗恒定，而实际上，灯管在工作一段时间后会逐渐老化，极间距离增大而引起等效阻抗增大，若采用该种控制方法，镇流器输出功率将发生偏差，不能输出最大的恒定功率。另外，灯启动过程的控制也非常复杂，需要另外设计控制电路。显然传统的控制方存在一定的局限性。

2 一种新型的最大功率恒定控制方法

从以上分析可知，传统的控制方法存在功率输出偏差，在灯管老化后，灯阻值发生变化时，如果用恒定的电压值控制其输出功率，将始终使灯的功率输出降低，为了克服灯的阻值发生变化时影响灯的输出功率。我们提出了图3的控制思想，其控制方法是：当灯点火成功后，取灯的端电压和电流，并计算出功率Pn-1，然后再增加开关管的占空比ΔD1计算出当前功率Pn。比较Pn-1和Pn的大小可以判断当前的功率是不是最大功率，如果不是最大功率将判断当前功率比上次功率大还是小，将按照图3继续比较，最终将确保开关管在一定的占空比时输出最大的功率，该控制方法与灯管的老化无关，始终将确保HID灯输出恒定的最大功率。该数字控制方法简单和可靠。

图3 最大恒功率控制流程图

根据图3的最大恒功率控制思想，按照图4控制电路原理图进行仿真分析，我们的仿真思路是：由于HID灯的阻值随着时间推移在一定时间段发生变化时，灯的工作特性曲线将发生变化，通过图3的控制方法能否确保HID灯输出恒定的最大功率。在图4中[7]，我们假设灯的阻值在(0～10) h、(10～25) h、(25～30) h时间内发生变化，图6是其输出功率的仿真波形。从图6的仿真结果可知，灯的输出最大功率能跟踪其阻值的变化。因此，按照图3的控制思想能克服由于灯管阻值老化，灯的阻值变大造成其输出功率减小问题。

图4 HID灯仿真主电路

图5 HID灯阻值变化曲线

图6 HID灯功率跟踪变化曲线

3 实验验证

根据图3的最大恒功率控制思想，对图4HID灯电路进行实验验证，为了实现图3的控制算法，选用DSP(TMS320F2812)作为算法处理，并控制主电路的开关管PWM驱动信号[8]。图3中灯的额定功率为354W、额定电压为65V，开关管选用MOSFET(IRF4905)，开关管频率f=20KHz，全桥逆变电路上桥臂采用P-MOSFET(IRF4905)，下桥臂采用N-MOSFET(IRF3710)，图7为最大恒功率测试波形。从图7中可知，灯光的两端电压和电流是恒定的，没有出现抖动现象。

4 结束语

图7 HID灯负载电压和电流测试波形

本文主要分析了HID灯传统的恒功率控制存在的问题，提出了一种新型最大恒功率控制方法。该控制方法不随灯管老化以及外界因素的变化而变化。始终输出最大的功率。通过理论分析和试验验证了该方法的可行性。本文的控制思想将为HID灯恒功率最大输出提供一定的指导作用。

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