數字式5 kW紫外燈電子鎮流器的研究與設計

摘要：傳統的電感式鎮流器存在體積大、效率低等缺點(diǎn)。為逐步替代傳統的電感式鎮流器，介紹了一種基于DSP控制的5 kW紫外燈電子鎮流器，采用了精簡(jiǎn)的三級式電子鎮流器拓撲，同時(shí)依據紫外燈的伏安特性設計了分階段PI控制的策略。然后以DSP為核心制作并調試了控制系統硬件。最后依此研制了5 kW紫外燈電子鎮流器的樣機，測試結果證明了該電子鎮流器滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需要。
關(guān)鍵詞：電子鎮流器；紫外燈；分段控制

1 引言
紫外線(xiàn)固化是輻射固化的一類(lèi)，是一種光化學(xué)過(guò)程，它利用紫外線(xiàn)燈進(jìn)行照射，將工業(yè)中廣泛使用的油墨、油漆、黏合劑等加以瞬間固化。與傳統的熱固化技術(shù)相比，紫外光固化提高了生產(chǎn)速度，減少了廢品率，增強了耐擦傷性和耐溶劑性，具有更好的附著(zhù)力。大多數企業(yè)選用變壓器鎮流器作為紫外線(xiàn)固化系統，該鎮流器工作在工頻50 Hz，體積笨重，發(fā)熱量大，且調節功率速度緩慢，而電子鎮流器能工作在0．02～20 kHz的頻率，可實(shí)現輸出功率的快速可調，同時(shí)自身能耗卻非常小，且由于電子鎮流器輸出為方波，與傳統變壓器鎮流器輸出的正弦波相比，可獲得更好的固化效果。此處的研究目標就是研制一套針對紫外線(xiàn)固化系統的綠色、穩定、智能、數字化的高性能大功率紫外燈電子鎮流器。

2 紫外燈伏安特性
紫外燈是典型的氣體放電燈，具有強烈的負阻抗特性。典型的紫外燈的電壓、電流與時(shí)間的特性曲線(xiàn)如圖1所示。

在點(diǎn)亮前階段，隨著(zhù)電場(chǎng)的進(jìn)一步增強，所有帶電粒子全部到達陰極，此時(shí)電流達到飽和，電流數值從數毫安到數十毫安，燈的等效內阻非常大。當電壓升高，且大于燈的擊穿電壓后，紫外燈進(jìn)入擊穿階段工作。此時(shí)，強電場(chǎng)使初始帶電粒子速度急速增加，它們又與中性氣體氬氣原子碰撞使之電離，從而形成更多的電子，這樣電子數目雪崩似地增加，同時(shí)隨著(zhù)溫度的升高，汞也隨之汽化，進(jìn)而使電子產(chǎn)生速率加快，從宏觀(guān)上看也就是燈管的等效內阻大幅下降，電流迅速飆升。同時(shí)在鎮流器的作用下，為了不至于將燈燒毀，管壓也會(huì )迅速下降，以保證紫外燈電流在一個(gè)合理的范圍內，該過(guò)程是輝光放電階段。之后為預熱階段，該階段是輝光轉弧光放電階段，隨著(zhù)燈管溫度的上升，其電阻也呈非線(xiàn)性地增大，此時(shí)燈管電流和電壓也慢慢上升，直到它們都升到額定工作的電壓和電流，此時(shí)燈管的電阻、電壓、電流將會(huì )保持在一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài)，該時(shí)刻便進(jìn)入弧光放電階段工作。由上述分析可知，紫外燈的啟動(dòng)過(guò)程可分為高壓擊穿、輝光放電、輝光轉弧光放電、弧光放電4個(gè)階段。

3 電子鎮流器主電路拓撲結構
由不控整流和全橋逆變組成的兩級拓撲不適用于大功率電子鎮流器，結合此處所使用的5 kW紫外燈冷態(tài)擊穿電壓為480～500 V，采用380 V三相工頻電壓整流后電壓波動(dòng)為510～610 V，因此無(wú)需將母線(xiàn)電壓經(jīng)過(guò)Boost電路產(chǎn)生紫外燈的擊穿電壓，因此這里將在保留傳統三級電子鎮流器優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，選擇適合于所用紫外燈的電路拓撲。其中第1級為無(wú)源PFC電路，是一顆矽鋼片制成的工頻電感，接在整流濾波電解電容之前，它利用電感線(xiàn)圈內部電流不能突變的原理調節電路中電壓與電流的相位差，使電流趨向于正弦化以提高功率因數。第2級與第3級繼承了傳統的三級式電子鎮流器的形式。第2級Buck電路實(shí)現對燈電流和功率的調節，控制從燈擊穿到穩態(tài)工作的所有過(guò)程，是整個(gè)電路的核心。第3級為全橋逆變，不進(jìn)行調制僅為燈提供20～400 Hz，14～17 kHz方波交流電。主電路如圖2所示。

Buck電路是該電路的核心，在此著(zhù)重分析其關(guān)鍵能量傳遞器件，即電感和電容的設計。在大功率Buck電路中，其電感不能按照開(kāi)關(guān)電源中的計算方法設計。因為小功率的Buck電路用在恒壓輸出、電流不大的場(chǎng)合，所以在該電路中設計電感時(shí)應先根據輸入電壓與輸出電壓確定占空比，然后再根據紋波電流、電感壓降等條件計算電感值，而且常規的Buck電路通常工作在電流連續模式。但在紫外燈電源中，Buck電路用來(lái)調節整個(gè)電源的輸出功率致使其輸出電壓變化范圍很寬，同時(shí)由于負載電流較大，如果工作在電流連續模式，將需要一個(gè)很大的電感，這在實(shí)際應用中實(shí)現比較困難；另外，電感工作在電流斷續模式時(shí)，續流二極管能在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通之前截止，可減小尖峰電流的產(chǎn)生。因此，采取Buck電路在最大占空比時(shí)工作在臨界電流連續模式，其表達式為：
Lmin=(Uinmax-Usat-Uo)／△iL (1)
式中：Uinmax為最大輸入電壓；Usat為IGBT導通管壓降；Uo為Buck電路輸出電壓；△iL為電感紋波電流，在臨界電流連續模式，其值為最大輸出電流10A。