汽車(chē)HID電子鎮流器中逆變電路設計與分析

1 引 言

　　目前，HID汽車(chē)前照燈以其光效高，顯色性好，壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛關(guān)注。與之配套的電子鎮流器也成為當前電源研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。由于大部分汽車(chē)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">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(wèn)題，經(jīng)常采用低頻交流方波供電[1-3]的策略，但為了快速點(diǎn)燈以及維弧，在點(diǎn)燈的開(kāi)始階段，逆變電路的工作模式與過(guò)渡和穩定階段的工作模式都還存在著(zhù)很大的不同?？偨Y如下：①在啟動(dòng)階段，選擇某一對角開(kāi)關(guān)開(kāi)通，以保證可靠啟動(dòng)。②在預熱和維弧階段，通常只需一個(gè)周期，即可保證輝光向弧光的穩定過(guò)渡。一個(gè)周期的長(cháng)度與燈啟動(dòng)時(shí)刻的狀態(tài)，即冷燈啟動(dòng)。還是熱燈啟動(dòng)有關(guān)，也與燈的老化程度有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，冷燈啟動(dòng)時(shí)，預熱的周期短，而燈熄滅后，短時(shí)等待再啟動(dòng)情況下的周期長(cháng)；老化嚴重的燈預熱周期長(cháng)。為了避免電極的不對稱(chēng)燒損?？刂瞥绦虮仨毐ＷC每個(gè)半波中的電流即時(shí)間積分相等。③在過(guò)渡期間和穩態(tài)期間，逆變頻率約為400Hz，占空比為50％。

　　為產(chǎn)生較好的方波電流以及兼容預熱期間的長(cháng)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(gè)上部開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)方案。對此，①從成本和體積角度來(lái)考慮，如果采用3個(gè)獨立的電源來(lái)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(gè)頻率段的要求，會(huì )增加系統體積；此外，工作前，還要先為自舉電容充電，以滿(mǎn)足啟動(dòng)時(shí)長(cháng)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[1，2]，因而電容體積也不可能過(guò)小。③過(guò)低的頻率一般都不適合采用脈沖變壓器，因而可能會(huì )增加體積。

　　鑒于這些問(wèn)題．這里采用分立元件構建自舉驅動(dòng)電路的方案，該方案雖會(huì )增加元件數量，但不會(huì )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(dòng)電路．其驅動(dòng)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(lián)而成。電感不僅是高壓發(fā)生器中高壓變壓器的次級．同時(shí)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(shí)刻，交流矩形波電壓均滿(mǎn)足：

　　說(shuō)明在t(0+)時(shí)刻，電流變化率，即由負變正的上升率最大，uL也最大，隨著(zhù)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(shí)刻時(shí)，iL上升為零，而后電流變?yōu)檎?，此后電阻兩端的電壓uR反向變?yōu)檎妷?，uL繼續降低，iL的上升率也繼續降低。直到uR=ubus時(shí)刻，uL=0，iL才不再變化，從而達到正向穩態(tài)，穩態(tài)電流可表示為：

　　要保證得到方波電流和電壓．必須使過(guò)渡時(shí)間與穩態(tài)時(shí)間相比可以忽略。對此應綜合考慮下述兩個(gè)因素。①與燈的等效阻抗匹配的電感值不能過(guò)大．而燈的等效阻抗在過(guò)渡階段主要是增高變化的。在穩態(tài)時(shí)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(guò)渡和穩態(tài)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(guò)程中，400Hz約是最高頻率，因此只要按照400Hz設計電感值，就能滿(mǎn)足整個(gè)運行過(guò)程。

　　圖1a示出仿真電路，為了更好地說(shuō)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(jiàn)，在過(guò)渡階段，iL的過(guò)渡過(guò)程與分析結果基本一致。若減小電感值，則可縮短過(guò)渡過(guò)程。實(shí)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(dòng)逆變電路拓撲。它由分立元件組成，其特點(diǎn)是：①驅動(dòng)電路的電源地與逆變全橋的母線(xiàn)電源正接在一起．使得控制電源懸浮在母線(xiàn)電源之上；②主晶體管VQ1工作在截止和放大狀態(tài)，而非完全的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在對橋臂開(kāi)關(guān)施加開(kāi)通信號期間，工作在恒流狀態(tài)下：施加關(guān)斷信號期間，工作在截止狀態(tài)下。

圖3示出無(wú)穩壓管的自舉驅動(dòng)電路。當驅動(dòng)控制信號為高電壓，即等于控制電源電壓UCC時(shí)，VQ1的基極電壓ubVQ1=13V，VQ1截止，R7中沒(méi)有電流流過(guò)．橋臂開(kāi)關(guān)管VT1的柵源驅動(dòng)電壓ugsVT1=0，VT1不導通。這時(shí)，無(wú)論VT1是上部開(kāi)關(guān)管，還是下部開(kāi)關(guān)管，VQ1的端電壓uebVQ1也都等于Ucc+Ubus。

　　當驅動(dòng)控制信號為低電壓．即等于控制電源地的電位時(shí)，VQ1的基極電壓由R1，R2，R3決定，即：

　　這一恒定電流IR1也要流經(jīng)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(mǎn)足驅動(dòng)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(gè)開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)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(dòng)電路的控制電源與全橋母線(xiàn)電源是串聯(lián)的。對于上部開(kāi)關(guān)管而言，當產(chǎn)生開(kāi)通驅動(dòng)信號時(shí)，控制電源與橋臂中點(diǎn)之間的電壓為Ucc，此時(shí)主晶體管兩端的壓降可表示為：

　　這是一個(gè)較低的電壓。在VT1關(guān)斷期間，由于VT1的源極也即橋臂中點(diǎn)的電位等于全橋母線(xiàn)電源地．則此時(shí)VQ1兩端的電壓降為：

　　對于下部開(kāi)關(guān)管而言，產(chǎn)生關(guān)斷驅動(dòng)信號期間，端電壓也滿(mǎn)足式(13)，但在產(chǎn)生開(kāi)通驅動(dòng)信號期間，由于下管的源極始終是母線(xiàn)電源地，所以此時(shí)VQ1的端電壓可表示為：

　　由此可見(jiàn)，相對于式(13)來(lái)說(shuō)，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(dòng)電路中主晶體管的工作條件較為惡劣，所以必須限制流過(guò)的電流．并降低功耗，同時(shí)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(xiàn)電壓為單相全波整流濾波電壓時(shí)上、下部驅動(dòng)電路中主晶體管VQ1的端電壓uceVQ1和上、下部VT1的柵源極驅動(dòng)電壓ugeVT1波形?？梢?jiàn)，母線(xiàn)電壓波形主要降落在主晶體管上。在驅動(dòng)波形上體現不出來(lái)。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(kāi)通驅動(dòng)期間．流過(guò)柵源之間的電阻R1和主晶體管的電流要滿(mǎn)足電流與R1的乘積，并符合驅動(dòng)要求，而且應盡量小，以降低晶體管的功耗：②驅動(dòng)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(shí)測波形。由圖可見(jiàn)，設計的自舉驅動(dòng)電路完全能滿(mǎn)足全橋驅動(dòng)的需要。圖5b示出電子鎮流器在啟動(dòng)和預熱期伺逆變電路的ulamp實(shí)測波形。由圖可見(jiàn)，自舉驅動(dòng)電路不僅能滿(mǎn)足在啟動(dòng)期間使某一對角主開(kāi)關(guān)管始終導通．另一對角主開(kāi)關(guān)管始終關(guān)斷的控制要求，而且在預熱維弧階段，還能滿(mǎn)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(dòng)電路進(jìn)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(shí)驗波形。實(shí)驗證明．所采用的自舉驅動(dòng)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(dòng)電路可以滿(mǎn)足啟動(dòng)階段頻率的靈活調節。