基于双向buck功率因数校正和lc高频谐振软开关技术的单相单级hid高频电子镇流器的制造方法
【专利说明】
【技术领域】
[0001 ] 本实用新型涉及HID灯等照明领域，特别涉及一种基于双向BUCK功率因数校正和LC高频谐振软开关技术的单相单级HID高频电子镇流器。
【【背景技术】】
[0002]HID灯由于显色性好、亮度高、节能效果好、透光性好等优点在照明领域得到广泛推广应用，但是为确保HID灯可靠工作，需要专用电子镇流器。但是，直到目前为止，市场上技术成熟的电子镇流器主要是两级结构和三级结构电路形式，先把输入的交流电变成直流电，再把直流电变换成交流电输出。前级电路是功率因数校正电路，把输入的交流电变成直流电，主要功能是实现输入电源侧高功率因数。后级电路是逆变电路，把直流电逆变成低频或高频交流电，输出满足HID灯照明所需要的交流电源。三级结构电路形式，是在上述前后级电路之间再加一级直流电压变换电路，实现输入和输出电压之间的匹配。由于多级电路结构形式，造成电子镇流器的电路结构复杂、成本高、效率较低，并且为了实现输入电源侧高功率因数，增加的功率因数校正电路还会带来FCC等电磁兼容问题。
[0003]路秋生等在文献《高频交流电子镇流技术发展与应用》、徐晔在文献《新型HID灯电子镇流器的研究》分别介绍了几种单级电子镇流器，各有优缺点和用途，但是性能还不够完善。徐晔在文献《新型HID灯电子镇流器的研究》还提出了一种基于交流斩波技术的新型单级电子镇流器。该镇流器的功率开关管工作在硬开关，开关损耗大，功率因数低，谐波大，输出是低频断续方波或高频断续正弦波，存在输入电源电流过零时HID灯再点火，也会带来电磁兼容问题，且其斩波输出电压有效值低，仅可以用于小功率低电压的HPS，不能应用到大功率高电压的HPS，并且还需增加点火装置。
[0004]为了解决现有电子镇流器存在的上述问题，本实用新型发明人已提出《基于双向BUCK功率因数校正和LCC高频谐振软开关技术的单相单级HID高频电子镇流器》发明专利申请，由于以调频谐振方式工作，输出电压有效值较低，限制了其在高电压HID及其它HPS的应用。
【【实用新型内容】】
[0005]有鉴于此，为克服现有技术的不足，本实用新型提出一种基于双向BUCK功率因数校正和LC高频谐振软开关技术的单相单级HID高频电子镇流器，结构简单，性能优越，能直接进行交交变频，只用一级功率变换电路就可以直接把输入的工频交流电变换成高频交流电，为HID灯等照明提供适用的高频交流电源，同时满足HID灯自启动、输入电源侧高功率因数、镇流器高效率和满足FCC等电磁兼容的要求。
[0006]为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下:
[0007]基于双向BUCK功率因数校正和LC高频谐振软开关技术的单相单级HID高频电子镇流器，包括功率主电路和控制电路，所述功率主电路是一个双向BUCK电路拓扑，由LC滤波电路、双向开关电路与LC谐振电路组成，所述LC滤波电路设置在输入端，与输入电源连接，所述双向开关电路的输入端连接所述LC滤波电路，其输出端连接所述LC谐振电路，所述LC谐振电路设置在输出端，连接外部的HID等灯具。
[0008]所述功率主电路完成电能从输入电源的工频市电到HID灯等照明用的高频交流电。
[0009]所述双向开关电路由四个高频功率开关管构成，采用调频控制和合适的控制逻辑，控制所述四个高频功率开关管适时开通和关断，对输入电源斩波，给LC谐振电路供电，LC谐振电路以高频准谐振方式工作。所述LC滤波电路还对后级电路的电流脉冲进行滤波，滤波电感中的电流连续，且跟随输入电压变化，实现输入电源侧功率因数接近于I。
[0010]所述控制电路包括辅助电源、同步电路、取样电路、调理电路、单片机、PFM产生电路、逻辑电路与驱动电路。
[0011]所述取样电路的输入端连接上述LC谐振电路的输出端，所述取样电路的输出端连接调理电路，所述调理电路再连接单片机，所述单片机的输出端连接PFM产生电路的输入端，PFM产生电路的输出端连接逻辑电路，逻辑电路再连接驱动电路，驱动电路再与上述双向开关电路相连接。所述同步电路的输入端连接上述LC滤波电路，其输出端分别连接所述逻辑电路、PFM产生电路与单片机。
[0012]所述辅助电源在输入LC滤波电路输出端的滤波电容上取电，输出电压供控制电路其他各部分使用，进一步减小辅助电源对输入电源的影响。
[0013]所述同步电路完成对输入电源正半周和负半周的判别，给出同步信号。所述同步电路输出信号分别送到逻辑电路、PFM产生电路与单片机。
[0014]所述取样电路的输入端连接所述LC谐振电路，其输出端连接所述调理电路。灯电流用电阻取样，灯电压用电阻分压器取样。
[0015]所述调理电路对灯电流、灯电压取样信号进行分压、整流、滤波等，得到正比于灯电流、灯电压的反馈信号。
[0016]所述单片机完成系统管理和控制功能，对灯电流、灯电压的反馈信号采样、数字PI调节、比较等，输出PFM控制电压和灯状态信号。
[0017]所述PFM产生电路接收来自单片机的PFM控制电压，受控产生、输出PFM信号。
[0018]所述逻辑电路接受同步信号、PFM信号、灯状态信号等，输出四路驱动控制信号。逻辑电路可以由组合逻辑电路构成，或者是小规模逻辑电路构成。
[0019]所述驱动电路把逻辑电路输出的四路驱动控制信号进行隔离、功率放大，去控制四个高频功率开关管适时开通或关断。
[0020]本实用新型采用恒频准谐振启动方式，谐振电压高，不用附加点火装置，并可以热启动。
[0021]本实用新型的工作流程包括准备、启动、预热和照明四个阶段。在准备阶段，镇流器上电后稍等片刻，功率开关管都截止，等待辅助电源输出稳定。在启动阶段，镇流器以恒频准谐振方式启动HID灯等，谐振电压高，可以热启动，不用附加点火装置;在预热阶段，镇流器以调频方式恒流控制灯电流，灯电流等于额定电流;在照明阶段，镇流器以调频方式恒功率或恒流控制灯功率，灯功率等于额定功率，灯电压等于额定电压，灯电流小于额定电流。在HID灯寿命终了时，通过适当增大镇流器输出功率或灯电流来延长HID灯使用寿命。
[0022]本实用新型所采取的技术方案中，镇流器上电后先是准备阶段，四个功率开关管都处于截止状态，辅助电源先工作，直到辅助电源输出电压稳定时输出“准备好”信号，控制电路和开关电路才开始工作。
[0023]在HID启动期间，负载(HID灯等)没有被击穿，相当于开路，LC电路工作在准串联谐振状态，工作频率接近LC高频谐振频率，Q值较大，随着输入电源的半波正弦瞬时值增大，电容C或HID灯两端电压逐步升高，直到HID灯两电极击穿。
[0024]HID启动后进入预热阶段，HID灯等效电阻与谐振电容并联，谐振电路Q值变小，镇流器先以工作电流等于额定电流的恒流控制方式调频工作，此时灯电压和温度逐步升高，灯功率也逐步提高，直到灯功率达到额定功率值时，镇流器开始以恒功率控制方式或恒流控制方式调频工作照明，此时灯功率等于额定功率值，灯电压等于额定电压值，灯电流小于额定电流。
[0025]在HID寿命终了时，灯两电极烧蚀，灯电压会明显高于额定电压值，恒功率控制时灯亮度会明显降低，为保证灯照明亮度不变，可以适当增大镇流器输出功率，延长灯寿命。当灯电压高于极大值(大于额定电压值)时，灯两电极烧蚀严重，继续增大镇流器输出功率，镇流器可靠性降低，镇流器停止工作。
[0026]本实用新型所采取的技术方案中，用一级功率电路直接把单相工频交流电变换成高频交流电，实现了单相单级直接交交变频，结构简单，器件少，并且电路工作在高频，极大减小了电子