汽車HID前照燈高壓?jiǎn)?dòng)電路及控制策略

HID前照燈因具有高光效、顯色性好、長(zhǎng)壽命等諸多優(yōu)點(diǎn)，是下一代汽車前照燈的重要選擇?介紹一種新型的HID前照燈啟動(dòng)電路，可靠地實(shí)現(xiàn)了快速點(diǎn)燈并延長(zhǎng)了燈的使用壽命?
解決方案：

控制器通過(guò)400 V恒壓閉環(huán)控制為Cc和電流接續(xù)電容快速充電??
采用電流積分的方式實(shí)現(xiàn)低頻交流方波點(diǎn)燈避免直流和高頻交流點(diǎn)燈的危害

高強(qiáng)度氣體放電(High Intensity Discharge，HID)燈屬于新一代節(jié)能燈，已廣泛應(yīng)用于交通、市政、工廠等照明中。汽車高強(qiáng)度氣體放電前照燈具有高光效、顯色性好、長(zhǎng)壽命等諸多優(yōu)點(diǎn)，已得到各國(guó)汽車行業(yè)的高度重視。

大多數(shù)電子鎮(zhèn)流器都由一個(gè)直流變換器將額定12V 的直流電壓升壓，再由逆變電路為燈提供交流電，以避免單側(cè)電極的過(guò)度燒損。前級(jí)的效率直接影響到系統(tǒng)的效率，因此，必須合理設(shè)計(jì)升壓直流環(huán)節(jié)。因?yàn)槠嚽罢諢粢罂焖賳?dòng)和熱燈的快速瞬間啟動(dòng)。冷燈啟動(dòng)所需的啟動(dòng)電壓一般大于13 kV ，熄滅后重新啟動(dòng)的燈所需的啟動(dòng)電壓需高達(dá)23 kV 。因此HID 前照燈啟動(dòng)電路的輸出電壓應(yīng)有足夠的幅值和寬度，且電壓范圍要寬。

本文提出了一種新型啟動(dòng)電路，并采用了電流積分作為識(shí)別冷熱啟動(dòng)的判據(jù)，可靠地實(shí)現(xiàn)了快速點(diǎn)燈并延長(zhǎng)了燈的使用壽命。

常用高壓啟動(dòng)電路比較
啟動(dòng)期間，電子鎮(zhèn)流器要經(jīng)歷高壓擊穿、電流接續(xù)、預(yù)熱維弧3個(gè)階段。高壓?jiǎn)?dòng)電路是HID 前照燈能否瞬間點(diǎn)亮的基礎(chǔ)。但輝光放電后慣性和濾波延遲使直流變換器和檢測(cè)回路很難有較快的響應(yīng)速度，所以需要如圖1所示的電流接續(xù)(take-over) 電路，它可利用電容預(yù)先儲(chǔ)存的能量為燈提供一個(gè)較大的瞬間電流(約300ms) ，保證輝弧可靠過(guò)渡。一般高壓發(fā)生電路有以下幾種：

圖1 電流接續(xù)電路

a.單級(jí)升壓電路
此電路一般要求匝數(shù)比很高。因高壓線圈流過(guò)燈電流，所用導(dǎo)線不能太細(xì)，這樣會(huì)使高壓變壓器體積增大。采用并聯(lián)方式可將高壓側(cè)線圈導(dǎo)線做得較細(xì)，但燈需串聯(lián)另外的鎮(zhèn)流電感，這樣，鎮(zhèn)流器系統(tǒng)的體積也會(huì)很大。

b.雙級(jí)升壓電路
采用此電路，在產(chǎn)生高壓的同時(shí)，高壓側(cè)繞組起到鎮(zhèn)流電感的作用，可降低系統(tǒng)的體積和重量，如圖2和圖3所示。圖2和圖3的區(qū)別在于，前者采用了兩級(jí)變壓器，體積較大，圖3電路只用了一個(gè)升壓變壓器，但前級(jí)采用了倍壓整流電路，可降低變壓器的匝數(shù)比，不會(huì)增加變壓器的體積。圖4是我們采用的電路，由于只有一級(jí)變壓器，體積大大減小。

圖2 具有兩級(jí)升壓變壓器的高壓?jiǎn)?dòng)電路

圖3 具有倍壓整流的單級(jí)升壓變壓器升壓電路

高壓?jiǎn)?dòng)電路原理分析
在倍壓整流電路中，因變壓器的副邊兩個(gè)方向的電流通路都存在，此時(shí)flyback部分電路不再是一個(gè)反激變換器。在啟動(dòng)階段，控制程序?qū)θ珮蚰孀冸娐返哪妇€電容C1 的端電壓，也就是后級(jí)H 橋的母線電壓進(jìn)行400V 恒壓閉環(huán)。倍壓整流輸出電壓1200V 通過(guò)R1和R2對(duì)電容Cc充電，Cc 段電壓逐漸升高。如其端電壓能達(dá)到600 V ，放電管擊穿，Cc放電，能量耦合到副邊，產(chǎn)生高壓。如倍壓整流輸出電壓不夠高，則會(huì)因R1、R2和R3的分壓，在與Cc并聯(lián)的電阻上的分壓小于 600V ，不能擊穿放電管。即使倍壓整流的電壓足夠高，如果R3 相對(duì)于R1+R2 的比例不夠大，也不能產(chǎn)生600V的擊穿電壓。

一旦Cc 的端電壓使放電管擊穿，將Cc中的能量轉(zhuǎn)移到高壓變壓器的副邊，在燈端產(chǎn)生高壓，其電壓值由變壓器副邊的電感和電容、燈狀態(tài)及壓敏電阻和線路電阻所構(gòu)成回路的時(shí)間常數(shù)決定。

啟動(dòng)階段的控制
為了可靠實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)，控制器通過(guò)400 V恒壓閉環(huán)控制為Cc和電流接續(xù)電容快速充電，此電壓如選得太低可造成啟動(dòng)緩慢，或啟動(dòng)后電路的能量不夠，啟動(dòng)則失敗。為了避免單側(cè)電極過(guò)度燒損，必須避免每次都從單側(cè)電極打火。程序中設(shè)定了一段啟動(dòng)方向隨機(jī)選擇子程序。

在電壓閉環(huán)控制的同時(shí)，程序不斷檢測(cè)電流，一旦電流達(dá)到設(shè)定值就確認(rèn)啟動(dòng)成功，進(jìn)入維弧預(yù)熱子程序(Warm-up) 階段。此階段時(shí)間為tpre，主要任務(wù)是維弧預(yù)熱，為防止直流點(diǎn)燈造成單側(cè)電極過(guò)度燒損及高頻交流下過(guò)零點(diǎn)熄弧，本文采用了一種電流積分的方式實(shí)現(xiàn)低頻交流方波。電流積分須滿足： ，在Warm-up 期間，每次中斷發(fā)生后將電流取樣值加和，一旦加和達(dá)到設(shè)定值，將加和清零并翻轉(zhuǎn)逆變橋切換到下一半波。重復(fù)上述過(guò)程，直到半波結(jié)束，進(jìn)入功率遞減過(guò)渡階段。這樣控制的優(yōu)點(diǎn)是：可自動(dòng)識(shí)別點(diǎn)燈溫度，為后續(xù)控制提供初始依據(jù)。

圖4 試驗(yàn)采用的高壓?jiǎn)?dòng)電路

高壓發(fā)生電路實(shí)驗(yàn)及波形
圖5采用3倍壓整流電路，放電管的額定擊穿電壓為600V ，高壓包的匝數(shù)比1∶50 ，放電管擊穿電壓為600V。實(shí)驗(yàn)波形見圖6。

圖5 啟動(dòng)瞬間電容Cc 端電壓和放電管端電壓

圖6 冷燈啟動(dòng)高壓和工作電壓波形

開關(guān)實(shí)驗(yàn)是為驗(yàn)證這套電路和控制策略的可靠性編制一套可編程控制器( PLC) 程序，用于測(cè)試電子鎮(zhèn)流器的開關(guān)可靠性。開關(guān)實(shí)驗(yàn)3小時(shí) ，共計(jì)4萬(wàn)次開關(guān)，均可靠啟動(dòng)。

結(jié)語(yǔ)
本文采用的高壓發(fā)生電路體積小、啟動(dòng)電壓范圍寬、啟動(dòng)可靠。控制程序充分考慮了交流燈的特點(diǎn)，可最大程度地減小電極的單側(cè)燒損，延長(zhǎng)了前照燈的使用壽命。