HID灯和电子镇流器间的接口设计

在白钠灯( SDW) 中， 不同于金卤灯的地方是，即便白钠灯一直工作在初始额定功率上，但随着灯电压的上升，光色也会漂移，所以白钠灯的灯功率不仅不能过低和过高，而且灯功率大小必须随着灯压的上升而不断调整，以便维持光色的稳定。

(6) 放电管寿终(End-of-life，EOL) 风险同镇流器EOL 保护功能间的关系: 在金卤灯中，气体放电和发光是在石英或陶瓷内胆中发生的，但是由于老化或其他原因，内胆中的卤盐可能会泄漏到外泡之中。当外泡中卤盐浓度气压超过5mPar 时，外泡中也会发生气体放电，并导致灯座温度显著上升和灯线绝缘层的快速老化和破损，从而带来触电等安全风险，这就是HID 灯的EOL 风险。正是由于HID灯在EOL 工作阶段涉及到用户的安全问题，IEC 标准(60598 ) 要求在HID 灯具中， 在HID 灯泡的EOL 工作状态，灯座温度不能超过180°，或者对应于HID 灯泡箍颈( Pinch) 部位的温度不可以超过350°。为了达到这个标准，HID 镇流器必须具有识别HID 灯泡EOL 特征的功能，并在EOL 工作状态出现时，要尽快停止HID 灯的工作。

EOL 风险的严重程度主要同3 个因素有关，分别是: ①灯泡内胆容积同外泡容积的比值; ②灯泡内胆中卤盐填充浓度( 气压) ; ③外泡中放电类型。相比较而言，150W CMH 灯泡的EOL 风险最大。不同公司生产的150W CDM 灯， 灯泡内胆中填充的卤盐浓度可能不相同， 因而EOL 风险也各不相同。即便是同一个150W，工作在EOL 状态的CDM 灯泡，它的EOL 风险大小还同外泡中的放电模式相关联。EOL 灯泡中， 外泡中的放电分以下3 种: ①辉光放电模式; ②弧光放电模式; ③白炽灯模式，其中弧光放电模式和白炽灯模式的安全风险最大。

在知名国际品牌的CMH 灯中，试验数据表明，150W CMH 灯中，GE 公司生产的灯泡EOL 风险较大; 而70W CMH 灯中， Philips 公司生产的灯泡EOL 风险较大。

图1 给出了CDM 灯工作在EOL 阶段的辉光放电状态( 左) 和白炽灯状态( 右) 的图片。白炽灯状态下，输入到灯的电功率大部分耗散在焦耳热的产生上( 而不是发光) ，从而灯脚( Pin) 和灯线温升很大，灯线绝缘层容易被烫伤破损和过早老化，可能导致灯线金属层同灯具发生短路和用户被电击的危险。

3 HID 电子镇流器同灯接口设计的基本原理

LDI 具有双重意义，它不仅要求HID 镇流器给HID 灯提供良好的驱动，同时要求在HID 灯所有工作阶段和可能的异常工作状态下，HID 电子镇流器都具有高度的可靠性来抵御失效。

通过上面的叙述，我们知道，要深入理解HID灯的性能要求和工作特性，将灯在不同工作阶段所需要的驱动条件及对应的等效电学参数融汇到镇流器的设计中，是HID 电子镇流器设计的基本立足点和出发点。首先，为了驱动HID 灯，HID 电子镇流器必须具备的基本外部特性是:

(1) 在灯的点火阶段， 提供恒定的OCV 电压和适当高度和足够宽度的点火尖峰电压，点火时序和点火维持时间是可控的;

(2) 在灯的Runup 阶段，提供恒定的Runup 电流;

(3) 在灯的正常工作阶段，提供恒定的输出功率或者恒定光色控制。

(4)在灯的EOL工作阶段，能够识别EOL状

电力电子线路中的“临界电感电流模式”技术也被应用到HID电子整流器的线路设计之中，在临界电感电流模式下，灯电流的大小控制就非常简单，因为电感电流峰值的一半就等于灯电流，所以在灯的Runup阶段，只要将电感电流的峰值控制在设定值，就可以实现恒电流Runup。另外，这个技术对于提镇流器的可靠性，实现“零电压开关”和改善电磁兼容性都直到重要作用。

从对HID灯的匹配性而言，三级结构的镇流器是最友善的，并且在控制方法的实施难易程度上，利用三级结构的HID镇流器来实现灯所要求的恒压、恒流和恒功率(恒光色)是比较简单的，其中BUCK变换器的控制是核心。在三级线路中(图2上)，BOOST 变换器实现功率因数校正和恒定直流电压输出的两大功能，BUCK变换器实现现稳压(点灯阶段)和限流(Runup阶段和正常工作阶段)的两大功能，而逆变桥实现低频换向的功能。首先，在灯的点灯阶段，控制BUCK变换器输出电压的大小，可以给灯提供恒定的OCV电压。在灯的Runup 阶段，控制工作于临界模式的BUCK变换器电感电态，并采取适合的保护动作。

简单的说，在HID灯不同的工作阶段，电子镇流器分别具有恒压、恒流、恒功率的外部特性，为了使镇流器具备这些输出特性，同时为了顺应电力电子产品发展的基本趋势(高能效、高功率密度、小型化)，镇流器内部线路必须采取适合的拓扑结构及控制逻辑。

目前市场上HID电子镇流器的主电路拓扑三级结构和两级结构两类，而两极拓扑又分全桥两极(FBCF)和半桥两极(HBCF)两种，它们的原理图在图2给出。

在HID电子镇流器中，基于安全原因，点火尖峰电压发生线路的工作应该交由定时器来控制，并且通过调整与灯相串联的升压变压器的匝比(如图中的Lig元件)以及调整同该变压器绕组相并联的点火电容容值大小，就可以将点火尖峰的高度和宽度调整到适合的数值。当灯被点亮时，尖峰电压发生线路的工作被中止;当超过一定时间后，如果灯仍然不能被点亮，则停止尖峰电压发生线路的工作。为了降低HID灯的EOL风险，点火动作应该是间断式的(burst ignition),这一点后面再详述。

流峰值的大小，可以给灯提供恒定的Runup电流。而在灯的正常工作阶段，根据灯电压的变化，控制BUCK变换器输入电流的平均值，可以实现恒功率控制或者恒光包控制。在灯的EOL阶段，通过监控BUCK变换器的输出电压的变化范围，来识别灯的EOL状态并EOL保护。

虽然HID镇流器三级线路同灯之间的匹配最友善，但是该线路对电能要通过三级处理，所以线路效率比两极线路低;并且，三级线路需要较多的元器件，元器件的成本可能比两线路高;再者，三线线路中，PCB面积大，不利于镇流器小型化的发展趋势。正是由于三线线路的这些不易弥补的缺点，两极线路才是今后主流的发展方向。

在两级的FBCF线路中(图2中)，除了要实现低频换向的功能外，还要输出稳定的OCV电压(点火阶段)和限流(Rrunp阶段和正常工作阶段)等功能。FBCF的直流输入电压一直稳定在400V，在灯的点火阶段，通过调整高频桥臂开关的占空比，可以将灯电极两端的OCV电压调整到设定值;在Runup阶段和正常工作阶段，电感L2工作在临界电流模式，通过调整高频桥臂开关的Ton (每个开关周期内的通态时间)，可以控制L2，电感电流的峰值，并进一步控制灯电流的大小。显然，FBCF纯种兼具三级线路中的BUCK变换器和低频换向逆变桥的所有功能。在两级的HBCF线路中(图2下)，除了实现低频换向的功能外，还要实现限流(Runup阶段和正常工作阶段)功能。在Runup 阶段和正常工作阶段，电感L2工作在临界电流模式，通过调整高频桥臂开关的Ton ( 通态时间) ，可以控制L2电感电流的峰值，并进一步控制灯电流的大小。