1、 Xenon lamp; Electronic ballast.;Constant power control 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
2、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。
3、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
4、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
5、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 so
6、urces光源类别功率光通量（1m）寿命（b）年代卤钨光源55155022519621450196460/551650/1000150/8001969581500930199265/451200/7006516001501000800气体放电灯35320030001996带外光膜卤素灯2000/130019971.1.2 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
7、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
8、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
9、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
10、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。第2章汽车氙灯及其镇流器原理与特性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，用以提升发光效率，通过调节所添加的
11、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至足够大时，灯内的物质被激发为等离子
12、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光的形式释放出来。同时，若电子碰撞气
13、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传统卤素灯与汽车氙灯性能的比较Table 2.
14、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）7001000消耗功率（W）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：氙灯无钨丝存在，在苛刻的路面条件下，不会因为灯丝的抗振
15、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，所以氙灯可谓最佳的人造光源。图2.3卤素灯与汽车氙灯光照效果的
16、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的灯管波形同相位，就会造成声谐振4。发生声谐振时，放
17、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使镇流器提供给灯能量的频率落在声谐振频率带范围以外； 2使镇流
18、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 modulation 然而，灯的声谐振频率在频率递增和频率递减时不完全
19、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，降低声谐振的概率，但不能彻底消除声谐振，并且引进了新
20、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
21、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来消除声谐振现象。23 汽车氙灯工作模式分析以下几节
22、，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5。此阶段主要是将储能电容充电至400V电压，提供足
23、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8517V。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。各部分功能如下1.DC-DC变换器：目
