金卤灯作为一种新型节能高强度放电灯，其显色性好，光色接近于太阳光，而且发光效率高，广泛应用于广场、码头、车间等室内外照明中。因此，与其配套的电子镇流器也成为近几年研究的热点。降低金卤灯及电子镇流器的成本，缩小其体积则成为研究的关键。

1 硬件电路设计

1.1 金卤灯电子镇流器技术指标

功率因数大于等95%;电流畸变系数小于等于10%;电流波峰系数小于等于1.7;使用寿命大于等于10 000 h;启动时间小于等于1 min;有过压、过流及异常状态保护功能。

1.2 电子镇流器的工作原理

该电子镇流器的基本结构框图如图1所示，它主要由整流及功率因数校正电路、恒功率控制电路、高频逆变电路、点火电路及控制电路几部分构成。该电路的输入为50/60 Hz，220 V的工频交流电，在电源接通而灯未点燃时，经LC谐振电路谐振后能产生3 kV以上的高压把灯点亮;而灯稳定工作以后，灯两端电压约为85 V，维持金卤灯的正常点燃。

1.2.1 整流与功率因数校正电路

本电路的整流滤波是采用桥式整流电容滤波电路来实现的，通过EMI滤波器得到310 V的直流电压送到APFC电路。而APFC是用功率因数控制芯片L6561完成的。其电路图如图2所示。

APFC的基本工作原理如下：主回路的输出电压Vo。和基准电压VREF比较后，输入给电压误差放大器EA，整流电压检测值VM1和误差放大器的输出电压信号Verr共同加到乘法器M的输入端，乘法器M的输出作为电流反馈控制的基准信号。电流误差放大器CA的输出与电感零电流检测器(ZCD)的输出作为开关管VG驱动器的输入信号，控制开关管的开通和关断，保证电感电流的峰值跟踪整流电压，从而使输入电流(电感电流的平均值)与输入电压的波形基本一致，提高输入端功率因数，降低电流畸变程度。

1.2.2 恒功率控制电路

金卤灯在使用寿命期间，灯电压会随着灯管的不断老化而升高，而传统的电感镇流器具有恒流特性，导致灯功率不断增大，从而加速灯管老化。本文采用了具有限流限压功能的近似恒功率控制方案，具有成本低，性能稳定的特点，在电网电压波动以及灯管老化等因素造成灯电压变化时，均能自动实现恒功率输出。其电路原理图如图3所示。

该电路可以将系统的功率因数λ提高到0.99以上，有效地抑制输入电源电流iin的波形失真，达到GB15144所要求的低于L级畸变指数，确保HID灯管的电流波峰系数小于1.7。

在Buck电路输入端串联接入检测电阻Rs，然后通过电阻R1进行滤波，得到平均电压信号，从L2端检测到灯的电压信号，二者经过EA放大电压信号，得到的输出电压作为反馈信号经过比较强输入到PWM控制器，PWM控制器根据输入的反馈电压信号输出一个控制信号Vf来控制Buck电路的开关S2的占空比。适当地选择R1，R2，R3，就可以很好地控制输出功率Po。

1.2.3 全桥逆变电路

镇流器中的低频方波输出是通过全桥逆变电路来实现的，如图4所示。全桥由4个MOSFET构成，在全桥控制器的控制下，两对MOS管交替导通，在稳定工作情况下输出400 Hz的方波。

1.2.4 启动电路

由LC构成谐振启动电路。在启动前，灯相当于开路，L，C组成串联谐振电路。点灯时，利用全桥输出方波电压正负跳变时的少量高频分量，使L，C发生谐振，在C两端产生高电压将灯点燃。此启动电路点火电压的位置有利于灯启动后电弧的稳定，而当灯工作于稳态时，点火电路对灯并无影响。

2 软件设计

单片机主要完成灯启动过程控制、稳态时的恒功率控制以及过压欠压和开路、短路等异常状态保护。其主程序流程如图5所示。

3 实验结果

电路有关工作波形如图6所示。

基于单片机控制的金卤灯电子镇流器，能自动完成故障检测、高压点火、异常状态保护及稳态时的恒功率控制。所设计的电子镇流器通过了高温80℃、低温-40℃、异常状态保护及工作时间试验。从研究结果可以看到，样机开发是成功的，这无疑为数字控制电子镇流器早日推向市场打下了良好的基础。

金卤灯电子镇流器的新型控制方法

提出了一种两级无声谐振金卤灯电子镇流器的新型控制方法。镇流器包括功率因数校正、一个带降压功能的半桥逆变电路和点火电路。这种新型的控制方法使灯工作于400Hz的低频方波工作状态，保证不出现声谐振的发生。还提出了一种新颖且简单的方法，克服了逆变电路换向瞬间的电流过冲问题，降低了灯工作电流的波峰系数。70W金卤灯电子镇流器的样机验证了这种控制方法的可行性

现今，高强度气体放电灯由于它的发光效率高、色温好、寿命长等优点，已经被广泛地应用于广场、道路照明等场合。而其中的金属卤化物灯由于拥有诸多优点更被认为是最好的人造光源之一。但是，由于金卤灯的负阻特性和特殊的启动要求，必须和与之相匹配的镇流器共同使用。对比于传统的电感式镇流器，电子镇流器有着许多优点，对它的研究和开发也是电力电子行业的一大热点。

为了确保金卤灯不出现声谐振，电子镇流器一般工作于低频方波状态。传统的低频方波电子镇流器包括3级结构：功率因数校正电路、降压电路和全桥逆变电路。这种结构非常复杂而且造成了镇流器的成本昂贵。简化电路、降低成本已经成为如今研究的重点。一种方法就是把前两级功率因数校正和降压电路组成一级。这种方法可以减小镇流器的体积，但是可能伴随带来的问题就是降低了功率因数校正电路的表现，增加了开关器件的应力等不利因素。另一种方法就是把降压电路和逆变电路组合在一起。这种方法可以降低镇流器的体积和成本，但是控制方法可能相对复杂。

组合降压电路和半桥逆变电路在一起的方案是现在比较流行而且可行的方法。因为这种方式的电路相对最为简单，成本最低。为了促进这种方案的广泛应用，简化它的控制方法，克服这种电路的缺点，提高它的可靠性就成为研究的重点。

本文对此种电路提出了一种新型控制方法，并且提出一种简单有效的方法克服此电路在输出电流换向时发生的电流过冲问题，降低了波峰系数。

1 电路描述

电路的结构框图如图1所示。

1.l 电路工作模态的分析

S1、S2的门极信号如图2所示。当S1工作于高频状态时，S2被断开。此时，电路等效于一个Buck电路，S1相当于主功率开关，而S2的体二极管相当于Buck的二极管。两个开关管的工作状态会以400Hz的一个频率交替变化。这样，就可以得到一个低频的方波电流输出供给灯。

二极管关断时存在一个反向恢复问题，这会大大增加器件的开关损耗。为了避免这种情况的发生，我们让电路工作在电流断续状态下。图3是逆变级Buck电感电流的状态示意图。

当S1工作于高频状态而S2断开时，电路工作于3种工作模式。

1.l.l 模式1

S1开通，电流流过C1、S1、Rs、灯、点火电感和Lc图4是这种模式的等效电路图。其中点火电感的电感量远远小于电感L的电感量，假设电容C上的电压在每个开关周期中保持不变，电感L上的电压VL为

l.1.2 模式2

S1断开。由于电感电流不能突变，电流流过Rs、灯、点火电感、L、C2和D2o。图5是此种模式的等效电路图。电感L的电压为

1.1.3 模式3

S1仍然处于断开状态。但是电感￡的电流降为零。此时，电容C给灯提供能量，电流流过C、Rs、灯和点火电感。图6是此种工作模式的等效电路图。假设电容足够大，电容上的电压保持不变，我们能够从式(1)、式(2)中得到输出的灯电压为

式中：系数k1与电感电流下降时间有关，在图3中有着明确的表示。

当S1断开，S2工作于高频开关状态时，电路的工作过程基本上和上面的分析一致。

根据上面的分析，在每半个低频周期内半桥逆变电路可以等效为一个Buck降压电路。从而一个半桥逆变电路既可以提供给灯一个合适的T作电压又能使灯工作于低频方波状态。

1.2 闭环控制

因为金卤灯的负阻特性，为此我们控制镇流器的输出呈现为电流源的特性，以保证灯的稳定工作。图7是半桥电路的控制方法框图。通过Rs采样灯电流。采样电阻Rs上的电压是一个低频的方波信号。首先通过运放l把这个信号放大，然后经过一个整流电路把这个交流的方波信号整流成直流，再经过RC滤波后进行PI调节，调节输出为一个恒流源。可见这种控制方法等效于DC/DC的控制方法，简单且有效。

1.3 电流过冲

但是，这个电路存在一个严重问题就是在每个输出电流换向的瞬间会有很大的电流过冲。这样的尖峰电流会大大降低灯的使用寿命。本文提出了一种简单有效的方法克服这个问题。

图8是半桥驱动门极信号的产生电路，其中的D触发器、两个与门和两个或非门组合在一起用来减小驱动信号的占空比。而这个功能由控制脚(CP)来控制，当CP为高时，驱动的占空比就可以减小为大约原来的一半。这样我们就可以在每个输出电流换向的瞬间给CP一个高电平，减小驱动的占空比，以大大减小甚至消除过冲电流。图9为一个简单CP控制信号的产牛电路。图10为脚CP信号与低频逆变信号的时序图。

2 实验结果

采用上述控制方法的一个70W金卤灯电子镇流器样机已经完成。电路主要参数如下。

L=380 μH;

C=1μF;

Vo=200V;

fh=100 kHz;

f1=400Hz。

其中：fh为半桥电路驱动的高频和低频频率;

f1为半桥电路驱动的低频频率。

图11显示了输出电流换向时驱动信号的变化。图12为输出电流换向时电感电流的变化，可以看到电流的过冲相当小。图13为点火脉冲，由于点火是在低频情况下进行，所以点火成功率很高。图14为灯正常工作时的电流和电压波形，可以看出灯电流基本没有电流过冲的情况发生。整机效率约为90%，波峰系数为1.1。

3 结语

本文提出了一种用于两级低频方波金卤灯电子镇流器的新型控制方法。它调节输出为恒流源，保证了灯的稳定运行。同时克服了电路存在的电流过冲问题。相比与传统的3级低频方波电子镇流器，这种电路和控制方法简单而有效。

紧凑形金卤灯在投影机中的应用分析

双壳紧凑形金卤灯经过几十年的不断改进优化和大量应用，已经做得非常稳定可靠、低温、长寿耐用，并且价格低廉。由于具有以上许多优点，所以被广泛应用在国产投影机上及被广大DIY投影爱好者作为首选灯源。若用理想的整流器在理想的状态下，常用的150W的双壳紧凑形金卤灯，它的极限发光效率竞可达到140lm/W，是现有各种投影灯中效率最高的;显色指数可达到97，如同太阳般的理想亮白色，颜色比其它投影灯还逼真鲜艳;光亮度达到三万多流明，比普通300W的金卤灯还亮;而寿命更可达到一万小时，为各种投影灯之最。

但若配用的是普通的照明用的整流器，不管是电感的还是电子的整流器，其发光效率只有85lm/W，显色指数只有65，光亮度只有11300 lm，寿命只有6000小时。这就是为什么那些采用双壳紧凑形金卤灯而却选用普通整流器的投影机亮度不高、颜色不好的主要原因。

若要想用双壳紧凑形金卤灯做投影灯，而又要亮度高、颜色好、温度低、寿命长，则必须研制配用专用的高亮电子整流器，使其光效和光色达到甚至超过专业投影灯的光效和光色，而寿命却远远高于专业的投影灯。这就要求高亮电子整流器必须做到让双壳紧凑形金卤灯在接近极限而又稳定的状态下工作，发出最佳的亮度和色度。其实，专业投影灯就是处在极限状态下工作的，但是由于其体积做得十分小，所以它的寿命普遍不长，只有几百小时，最高不超过二千小时。但让双壳紧凑形金卤灯在接近极限而又稳定的状态下工作时，其寿命却仍很长。研究表明，其寿命可达一万小时，为最长寿之投影灯。

但是，要让双壳紧凑形金卤灯在接近极限而又保证稳定的状态下工作是一件很不容易的事。之前已有无数的人士进行过艰辛的研究实验，都末做到理想的效果。在研究应用双壳紧凑形金卤灯作投影灯的开发行列中，美图的科研人员经过几年不懈的潜心研究和大量实验，以及量产应用，在摸清了双壳紧凑形金卤灯的特性后，终于攻克了这一难题，研制出了可以让双壳紧凑形金卤灯在接近极限下工作而又保证稳定的高亮一体化电源，使采用150W双壳紧凑形金卤灯的投影机的亮度和色度，比采用普通整流器的250W的金卤灯的亮度和色度还高，证明双壳紧凑形金卤灯在投影机中的应用，除了体积比专业投影灯较大外，其亮度、色度、光效、显色指数、尤其是寿命和价格，比专业投影灯具有更大的优势和竞争力。况且美图专门开模制做的150W双壳紧凑形金卤灯，价格只要88元人民币，十分适合投影机大量普及应用进入家庭的条件。可以预见，能够达到让投影机进入家庭并大量普及应用条件的投影灯，当属这种长寿低温、经久耐用、价格低廉的双壳紧凑形金卤投影灯，特别是美图专门开模制做的双壳紧凑形金卤灯。

为了让大家更好地理解和认识双壳紧凑形金卤灯如何能在接近极限状态下工作而又做到稳定可靠，下面扼要介绍如何能使双壳紧凑形金卤灯在接近极限状态下稳定地工作的条件及其高亮一体化电源。

要让双壳紧凑形金卤灯在接近极限而又稳定的状态下工作，其配套的整流器必须满足下列理想的条件：1、波峰因数CF=1。2、灯电流为高频正弦波。3、灯电流和电压的相位一致。4、工作电压自稳不变。5、灯电流平稳自控。6、双重防声共振防飘弧防闪动。

当与之配套的整流器达到上列理想的条件时，此时150W双壳紧凑形金卤灯的极限功率可达到230W，极限光效可达到140 lm/W，极限显色指数可达到97，极限亮度可达到32000 lm，比普通300W的金卤灯还亮，装在投影机上的实际效果是比250W的投影机还亮，而温度却不高。

我们知道，电感整流器的波峰因数CF=2.1，灯电流为失真的低频尖角波，灯电流和灯电压的相位不一致，工作电压随电源电压波动不稳，灯电流不能平稳自控，无声共振现象但有飘弧现象。

从上述可知，电感整流器与理想的整流器相差太远，是整流器当中最差的，因此，用电感整流器无法实现在极限状态下稳定地工作，即使强行超功率工作，也只能将150W双壳紧凑形金卤灯的功率超到180W，光效从80 lm/W提高到95 lm/W，显色指数从65提高到80，亮度从11300 lm提高到17000 lm，但色温急剧下降，颜色变黄，并且温度超高很快就老化衰退。这就是为什么那些用电感整流器的投影机，不能用正常白色光的6K5色温的金卤灯，而要采用严重偏蓝色的10K色温的金卤灯的原因。

美图投影机高亮一体化电源的波峰因数可做到CF=1.3，灯电流为理想的高频正弦波，灯电流和电压的相位基本一致，具有稳压电路，工作电压稳定不随电源波动变化，灯电流自动反馈平稳自控，具有双重防声共振防飘弧防闪动功能。距离理想的整流器不差多远，因此能实现在接近极限状态下稳定地工作，可将150W双壳紧凑形金卤灯的功率超到210W，光效从80 lm/W提高到125lm/W，显色指数从65提高到93，亮度从11300 lm提高到26000 lm，但却又能保证色温基本不变，比采用普通整流器的250W的金卤灯的亮度更亮，色彩更好，温度更低，更长寿耐用。

美图高亮一体化电源还具有如下优点：具有热灯保护功能、灯不亮保护功能、灯开路保护功能、灯短路保护功能、灯接触不良保护功能、灯突然断路保护功能、灯超温保护功能等各种灯故障保护功能及突然断电保护功能，做到无论灯在任何状态下都不损坏灯和高亮一体化电源本身。起动电压高达6千伏，可即刻可靠地点亮那些不易点亮之金卤灯，不会出现有时点不亮灯的失灵难堪状态。具有一路12V2A稳压输出电路、二路风扇延时输出电路、一路开关灯控制输入电路、一路温度检测输入电路、一路外接电池输入电路，并且全接插座设计、一体化紧凑结构，可令到投影机体积更小，装配连接更简单、方便、快捷。输入电源电压从100V-250V，全球电压通用。无令人头痛的射频谐波干扰，不干扰影响电视和电网，让投影机看电视时画面更清晰“干净”。

美图高亮一体化电源的原理方框如图所示。它由带保险防冲击EMI滤波电路、功率因数校正升压稳压电路、半桥高频逆变整流电路、交流高压断续点灯电路、正弦波输出电路、灯流平稳控制反馈电路、双重防声共振防飘弧防闪动电路、灯故障(灯不亮、灯开路、灯短路、灯接触不良、灯突然断开)保护电路、热灯启动保护电路、超温保护电路、12V稳压输出电路、风扇延时电路、5V开关灯信号输入控制电路、外接电池延时供电防突然断电保护电路组成。

紧凑形金卤灯在投影机中的应用

从图中可知，美图高亮一体化电源为了使双壳紧凑形金卤灯达到最大最佳的光输出，其电路结构比普通的电子整流器做得比较复杂、全面、完善，增加了许多普通电子整流器所没有的电路。比如，在灯流输出方面增加了正弦波输出电路、灯流平稳控制反馈电路、双重防声共振防飘弧防闪动电路，使流过灯管上的电流、电压为平稳理想的高频正弦波，而非失真的不规则的低频尖角波;在触发点灯方面增加了交流高压断续点灯电路，以减小普通脉冲式点灯方式对灯管的损害，及防止连续点灯方式容易产生打火击穿电路的现象;在提高相关性能及加强保护方面更是增加了许多电路，使得美图高亮一体化电源板更加理想、保险、可靠、好用、耐用。如：完善的保护功能，做到无论灯在任何状态下都不损坏灯和高亮一体化电源本身;全接插座设计、一体化紧凑结构，可令到投影机体积更小，装配连接更简单、方便、快捷;具有12V和5V开关灯信号接囗，可与液晶屏信号板直接连接，无须再另装控制板和电源板;具有风扇延时电路及接囗，无须再另加延时板。

投影机若采用了美图高亮一体化电源，并使用美图开模制做的双壳紧凑形金卤灯，可令到投影机的结构和装配变得十分简单、轻巧、方便、容易、快捷，而亮度和色彩则比同类型机更亮更鲜艳纯正，而温度却更低一点。美图投影机就是应用这种方案的典范。从美图投影机内可以看到，其内部只有二块线路板，一块为高亮一体化电源板，另一块为液晶屏驱动信号板;没有那些什么开关电源板、控制板、延时板、整流器板、继电器、跨来飞去的连接线等等一大堆令人眼花缭乱的东西，十分简洁明了;而灯管功率虽被超到210W，比250W的灯还亮，但色温却没有下降，还是纯正的亮白色，没有偏黄，也不偏蓝;手感出风温度，却比电感整流器的还低。可以预言，以后飞入寻常百姓家实现大规模普及应用的投影机，将是美图这种价格低廉、经久耐用符合中国国情的三件套投影机方案，而不是什么DLP、三片LCD之类的投影机;这就象当初实现飞入寻常百姓家实现大规模普及应用的是图像不怎么清晰但价格低廉的VCD，而不是图像很清晰但价格却很昂贵、技术又高难的LD和DVD的道理一样。君若不信，请试目以待，不出三年，保证蜂起群拥。