基于平均電流控制的恒功率控制電路設(shè)計(jì)

摘" 要： 為解決HID燈的老化及燈的伏安特性變化引起的功率漂移問題，基于Buck降壓變換器的平均電流控制模式，設(shè)計(jì)并制作了一款具有恒功率控制能力的數(shù)字控制電子鎮(zhèn)流器驅(qū)動(dòng)電路，包含兩個(gè)控制環(huán)路：內(nèi)電流環(huán)路用于維持穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)，外功率環(huán)路用于維持燈在其使用期間的功率恒定，并根據(jù)Buck降壓變換器DCM模式下的小信號(hào)模型，以PI算法作為數(shù)字補(bǔ)償器，完成補(bǔ)償環(huán)路設(shè)計(jì)，保證電路輸出穩(wěn)定性。為抑制聲共振，該電路結(jié)構(gòu)采用三級(jí)式結(jié)構(gòu)的電子鎮(zhèn)流器，以低頻方波驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果表明，該電子鎮(zhèn)流器驅(qū)動(dòng)電路可實(shí)現(xiàn)450 W的恒功率控制，誤差值小于3%。該電子鎮(zhèn)流器驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，可適用于450 W HID燈驅(qū)動(dòng)。

關(guān)鍵詞： 電子鎮(zhèn)流器； 高強(qiáng)度氣體放電（HID）燈； 恒功率控制； 平均電流控制； 數(shù)字控制； 降壓變換器； 聲共振

中圖分類號(hào)： TN722.7+5?34； TM923.61" " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " "文章編號(hào)： 1004?373X（2024）12?0001?07

Design of constant power control circuit based on average current control

WANG Jiang1， WANG Bin1， GUO Lei2

（1. College of Optoelectronic Engineering， Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 400065， China;

2. Wuxi Leiyue Optoelectronics Co.， Ltd.， Wuxi 214200， China）

Abstract： In order to improve the power drift problem caused by the aging of HID （high intensity discharge） lamps and the changes in their volt ampere characteristics， a digital controlled electronic ballast drive circuit with constant power control capability is designed and fabricated based on the average current control mode of Buck buck converter. It includes two control loops： the inner current loop is used to maintain stable driving， and the outer power loop is used to maintain a constant power of the lamp during its use. Based on the small signal model of the Buck buck converter in DCM mode， the PI algorithm is used as a digital compensator to complete the compensation loop design and ensure the stability of the circuit output. The three-level electronic ballast driven by low?frequency square wave is used in the circuit structure to suppress acoustic resonance. The design and testing results show that the driving circuit of the electronic ballast can realize a constant power control of 450 W， with an error value less than 3%. The electronic ballast has a simple driving circuit structure， high reliability， and can be used for driving 450W HID lamps.

Keywords： electronic ballast; high intensity discharge （HID） lamp; constant power control; average current control; digital control; buck converter; acoustic resonance

0" 引" 言

近年來，發(fā)光二極管（LED）以其高節(jié)能和長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，在照明領(lǐng)域取得了蓬勃發(fā)展[1]，許多國(guó)家已經(jīng)用LED逐步取代傳統(tǒng)光源。但在一些特定照明的場(chǎng)合，高強(qiáng)度氣體放電（HID）燈因顯色性好、發(fā)光效率高等優(yōu)異性能，仍然在照明中被廣泛應(yīng)用[2]。

HID燈通常具有負(fù)阻抗特性，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)時(shí)需要鎮(zhèn)流設(shè)備。電子鎮(zhèn)流器若是采用高頻驅(qū)動(dòng)，HID燈可能會(huì)受到聲共振現(xiàn)象的干擾，從而導(dǎo)致不穩(wěn)定的電弧放電、燈閃爍、熄滅等現(xiàn)象，甚至?xí)?dǎo)致燈管損壞[3]。在實(shí)際應(yīng)用中，低頻方波驅(qū)動(dòng)的三級(jí)式電子鎮(zhèn)流器因可靠性高且能有效避免聲共振而被廣泛應(yīng)用。與以高頻驅(qū)動(dòng)的兩級(jí)式結(jié)構(gòu)相比，三級(jí)式結(jié)構(gòu)可以不受高頻聲共振限制，且驅(qū)動(dòng)控制簡(jiǎn)單[4]。

HID燈在長(zhǎng)時(shí)間使用下，會(huì)發(fā)生等效阻抗變化，引起功率漂移，從而降低照明系統(tǒng)的可靠性。為了克服功率不穩(wěn)定的問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了多種恒功率控制方法[5?8]。其中，模擬控制方式通過集成芯片完成驅(qū)動(dòng)，但存在電路復(fù)雜以及器件老化、溫漂引起的輸出特性不穩(wěn)定問題。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)HID燈的高效控制，可將模擬控制改進(jìn)為數(shù)字控制，并將所有功率級(jí)的控制策略合并到單個(gè)數(shù)字組件，如高端微控制器或DSP中[9]，使用數(shù)字控制還可以提供智能保護(hù)、通信功能[10?11]，易于實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)校正，靈活性強(qiáng)。但相較于模擬控制，系統(tǒng)響應(yīng)速度下降，需要優(yōu)化數(shù)字補(bǔ)償器的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)功率控制級(jí)的穩(wěn)定動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)隔離電路，保證電路安全性。

本文提出一種三級(jí)式HID電子鎮(zhèn)流器的恒功率控制電路，用低頻方波驅(qū)動(dòng)，從而避免聲共振。恒功率控制電路基于平均電流控制模式，通過同時(shí)檢測(cè)電路在斷續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）下電感電流峰值的平均信號(hào)和功率控制器的輸出電壓信號(hào)，利用PI算法作為數(shù)字補(bǔ)償環(huán)路，以實(shí)現(xiàn)恒功率控制。設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果表明，該恒功率控制電路可以在較大的負(fù)載阻抗變化條件下，工作在450 W的恒定功率水平。

1" 恒功率電子鎮(zhèn)流器理論分析

圖1為所提出的HID燈電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)分為四個(gè)主要部分：功率因數(shù)校正（PFC）、功率控制器、全橋逆變器和高壓點(diǎn)火器。交流電壓經(jīng)過PFC的升壓轉(zhuǎn)換器后，得到高直流輸出電壓[Vg]，利用功率控制級(jí)轉(zhuǎn)換為較低直流電壓并控制功率。因此，所提出的功率控制級(jí)采用Buck降壓變換器。HID燈啟動(dòng)初期，在LC諧振電路的諧振頻率附近調(diào)節(jié)全橋逆變器的工作頻率，通過諧振產(chǎn)生高壓?jiǎn)?dòng)HID燈，處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，全橋逆變器工作在低頻狀態(tài)下，LC諧振電路實(shí)現(xiàn)濾波與產(chǎn)生交流的作用，忽略全橋逆變器中存在的損耗。此時(shí)，HID燈電阻可視為降壓轉(zhuǎn)換器的負(fù)載，降壓轉(zhuǎn)換器的輸出功率[Po，Buck]等于HID燈功率[Plamp]。

本文提出的恒功率控制系統(tǒng)如圖2所示。

降壓變換器的輸出功率由開關(guān)管S2驅(qū)動(dòng)方波的占空比控制，占空比數(shù)值由輸出功率信號(hào)與參考功率信號(hào)的誤差值決定。輸出功率由電感電流的平均信號(hào)和輸出電壓信號(hào)相乘而來，當(dāng)燈阻抗改變，輸出電壓與電感電流都會(huì)改變，輸出功率也發(fā)生改變，通過誤差值的變化以調(diào)節(jié)占空比數(shù)值。

降壓變換器始終以DCM模式運(yùn)行，在DCM下工作，降低了開關(guān)管的開關(guān)損耗并實(shí)現(xiàn)了更高的效率。如圖3所示，在DCM時(shí)，電感電流信號(hào)呈現(xiàn)鋸齒波形。此時(shí)，輸出功率由下式表示：

[Po=iovo=12I2peakvinL（vin-vo）TS] （1）

式中：io為輸出電流；vo為輸出電壓；Ipeak為電感電流峰值；vin為輸入電壓；L為電感值；TS為S2開關(guān)管的開關(guān)周期。

由于降壓變換器以恒定頻率運(yùn)行，因此，式（1）中vin、L和TS的值可視為常數(shù)。

由此，對(duì)Ipeak和vo采樣并經(jīng)過計(jì)算處理可以得到降壓變換器的輸出功率，實(shí)現(xiàn)功率控制。

2" 恒功率控制電路設(shè)計(jì)與分析

2.1 主電路小信號(hào)建模

所設(shè)計(jì)的HID電子鎮(zhèn)流器的參數(shù)指標(biāo)如下。

1） 輸入交流電壓：220 V，60 Hz；

2） PFC輸出直流電壓：380 V；

3） 降壓變換器開關(guān)頻率：50 kHz；

4） 全橋逆變器開關(guān)頻率：60 Hz；

5） 額定燈功率：450 W（94.87 V，4.74 A）；

6） 燈等效阻抗范圍：20～60 Ω。

為了對(duì)數(shù)字控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，需要對(duì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，以確保其瞬態(tài)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

降壓變換器的大信號(hào)平均模型如圖4所示，有源開關(guān)、電感由電壓為零的電流源建模，二極管由電壓源建模[12?13]。

在穩(wěn)態(tài)條件下，定義直流分量：

[K=2LRTS]" （2）

[M=VoVin=-D21K+D1D21+4KK22=21+1+4KD21]" " （3）

[D1=KM21-M] （4）

[D2=K1-M]" " " " " " " "（5）

[IL=VoR]" " " " " " " " "（6）

將含有小信號(hào)擾動(dòng)的參量代入上述公式中，忽略二階非線性交流項(xiàng)，且方程兩邊的直流項(xiàng)相等，得到只包含一階交流項(xiàng)的方程。由此可得小信號(hào)的公式如下：

[d2=-K1-MVovo+KM21-MVovin+1-MMd1] （7）

[iS=-KTSM22L1-Mvo+KTSM22L1-Mvin+TSVoLK1-Md1] （8）

[iS=g1vo+r1vin+k1d1]" " " " " " （9）

[iL=-KTS2L1-Mvo+TSKM2-M2L1-Mvin+TSD1Vo1-MLM2d1] （10）

[iL=g2vo+r2vin+k2d1] （11）

[vD=vo]" " " "（12）

整理上述公式與大信號(hào)模型，可以得到DCM模式下降壓變換器的小信號(hào)模型，如圖5所示。

對(duì)圖5進(jìn)行分析可以得到以下方程。

1） 占空比信號(hào)到輸出電壓的傳遞函數(shù)[Gvds]：

[Gvds=vosd1s=2Vo1-MM2-M1-MK1+1-MSCR2-M] （13）

2） 占空比信號(hào)到電感電流傳遞函數(shù)[Gids]：

[Gids=iLsd1s=2Vo1-MM2-M1-MKSCR+1R1+1-NSCR2-M]" （14）

為驗(yàn)證式（13）、式（14）的正確性，從兩個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證：一是通過仿真軟件對(duì)電路掃頻與小信號(hào)模型得到的伯德圖進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示；二是對(duì)仿真電路添加微量擾動(dòng)，對(duì)比小信號(hào)數(shù)學(xué)模型響應(yīng)與電路響應(yīng)，如圖7所示。

這個(gè)模擬考慮了兩次擾動(dòng)：第一次擾動(dòng)在5 ms處，此時(shí)占空比降低了5%；第二次擾動(dòng)發(fā)生在6 ms，相應(yīng)占空比增加了5%。仿真結(jié)果表明，所得小信號(hào)模型與電路模型結(jié)果一致性良好。

2.2 控制回路設(shè)計(jì)

閉環(huán)控制回路框圖如圖8所示，共包含功率外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)兩個(gè)回路。其中，功率外環(huán)用于在HID燈等效電阻發(fā)生變化的情況下，保證輸出功率恒定；電流內(nèi)環(huán)保證電子鎮(zhèn)流器穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)。

通過電流傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器獲得電流反饋增益Hi，同理，利用電壓傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器獲得電壓反饋增益Hv，可得：

[Hi=2N?Hs，iVh-Vl] （15）

[Hv=2N?Hs，vVh-Vl]" " " " " " " （16）

式中：N為A/D位數(shù)（12 bit）；Hs，i為電流傳感器增益；Hs，v為電壓傳感器增益；Vh為高壓A/D基準(zhǔn)；Vl為低壓A/D基準(zhǔn)。

由圖8可得，電流傳感器增益Hs，i由采樣電阻RS決定，電壓傳感器增益Hs，v由分壓電阻[R2R1+R2]決定，將采樣頻率設(shè)置成與開關(guān)頻率相同。

恒功率控制實(shí)現(xiàn)具體步驟如下。

1） 輸出電壓vo（t）與平均電感電流io（t）分別經(jīng)過分壓電阻與采樣電阻進(jìn)行采樣得到，A/D采樣模塊對(duì)采樣數(shù)據(jù)處理，得到數(shù)字信號(hào)Vo[n]和Io[n]；

2） 通過微控制中的內(nèi)置乘法器，根據(jù)式（1）可得到對(duì)應(yīng)的功率數(shù)字信號(hào)Po[n]，并輸入到數(shù)字控制器中進(jìn)行功率補(bǔ)償計(jì)算，產(chǎn)生參考電流Iref[n]；

3） 將Iref[n]與Io[n]比較，得到電流誤差信號(hào)erri[n]，輸入至數(shù)字控制器中進(jìn)行電流補(bǔ)償計(jì)算，得到帶有占空比信息的控制信號(hào)D[n]；

4） 控制信號(hào)D[n]輸入至DPWM模塊，輸出降壓變換器開關(guān)管的控制方波信號(hào)[dt]。

其中，功率補(bǔ)償環(huán)路與電流補(bǔ)償環(huán)路都采用了PI算法，DPWM模塊的鋸齒波幅值為Vm。因此，考慮采樣網(wǎng)絡(luò)和DPWM，且未加入補(bǔ)償環(huán)路時(shí)，系統(tǒng)電流環(huán)的開環(huán)增益函數(shù)如下所示：

[Goz=GidzHiVm]" " "（17）

通過Matlab得到系統(tǒng)的伯德圖，并通過頻域法設(shè)計(jì)PI控制器的初始參數(shù)。電流補(bǔ)償函數(shù)為：

[Gc，pz=0.09+2 0001-z-1] （18）

經(jīng)過由PI控制器構(gòu)成的補(bǔ)償系統(tǒng)后，幅頻特性曲線如圖9所示。此時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的穿越頻率約為5 kHz，為開關(guān)頻率的[110]，相位裕度為55°。

對(duì)電路進(jìn)行仿真，觀察系統(tǒng)的輸出特性，分析功率恒定實(shí)際效果。首先對(duì)恒功率控制電路進(jìn)行仿真，在額定工作條件下，得到輸出功率波形如圖10所示。分析圖10可知，通過采樣計(jì)算得到的輸出功率為450 W，但電路的實(shí)際輸出功率的平均值約為446.75 W。

圖11為輸出占空比驅(qū)動(dòng)方波、采樣觸發(fā)方波、電感電流波形及其電流采樣值、輸出電壓以及電壓采樣值隨時(shí)間變化的曲線圖。其中，設(shè)置采樣時(shí)刻為輸出占空比方波的[12]時(shí)，觸發(fā)對(duì)電感電流的中間值和輸出電壓進(jìn)行采樣。分析采樣電路，觀察電感電流與輸出電壓的采樣值與實(shí)際值的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)采樣得到的輸出電壓小于實(shí)際輸出值的平均值。由式（1）可得，采樣計(jì)算得到的功率值比實(shí)際輸出值略大，以計(jì)算的功率值為參考信號(hào)，從而導(dǎo)致實(shí)際輸出比設(shè)定的參考功率略低，功率誤差約為0.72%，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

分析系統(tǒng)在存在外部擾動(dòng)情況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。對(duì)系統(tǒng)施加兩種擾動(dòng)：一是在30 ms時(shí)，輸入電壓升高10%；二是在40 ms時(shí)，輸入電壓降低10%。圖12為不采用恒功率控制即開環(huán)控制，在外部擾動(dòng)下，占空比保持不變的情況時(shí)，輸出功率隨著輸入電壓的改變而發(fā)生偏移。圖13為輸出功率和占空比在恒功率閉環(huán)控制下，當(dāng)系統(tǒng)在外部擾動(dòng)即穩(wěn)定條件發(fā)生變化時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與輸出波形。結(jié)果表明，使用恒功率控制環(huán)路，占空比可以根據(jù)工作條件的變化實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整，進(jìn)而完成恒功率控制。

圖14為包含功率控制電路、全橋逆變電路、LC諧振電路等主電路，以及補(bǔ)償電路等控制電路的整體電路仿真結(jié)果圖，輸出電流和電壓以60 Hz的低頻方波形式驅(qū)動(dòng)。

3" 恒功率控制電路測(cè)試與驗(yàn)證

對(duì)450 W HID燈電子鎮(zhèn)流器的電路構(gòu)成和控制原理進(jìn)行深入分析與研究，實(shí)現(xiàn)了三級(jí)式電子鎮(zhèn)流器電路設(shè)計(jì)，在Simulink軟件中優(yōu)化器件參數(shù)與恒功率調(diào)節(jié)控制設(shè)計(jì)，使其性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。完成控制程序編寫并制作實(shí)物，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。在實(shí)際測(cè)試中，采用特定功率電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)HID燈電阻特性的等效。經(jīng)過不斷調(diào)試后，得到了性能良好的測(cè)試結(jié)果。主電路實(shí)物如圖15所示。測(cè)試結(jié)果如圖16～圖19所示。

由圖16和圖17可知，該電子鎮(zhèn)流器在穩(wěn)定階段（等效電阻為20 Ω）工作在DCM模式，在占空比16.45%控制下，降壓變換器輸出電壓為95.27 V，逆變器后級(jí)交流輸出電壓的直流有效值為94.33 V，電流約為4.72 A，燈輸出電壓以60 Hz交流方波形式運(yùn)行，HID燈的輸出功率值為444.91 W。與額定功率對(duì)比，功率存在約1.13%的偏差。

圖18和圖19為接入30 Ω功率電阻時(shí)占空比與輸出值波形。此時(shí)占空比在功率控制下調(diào)節(jié)為17.43%，降壓變換器輸出電壓為116.53 V，逆變器后級(jí)交流輸出電壓的直流有效值為115.72 V，HID燈的輸出功率值為446.37 W。與額定功率對(duì)比，輸出功率存在約0.81%的偏差。

與仿真結(jié)果相比，設(shè)定的實(shí)際參考功率值存在3～5 W的誤差。這主要由于實(shí)際電路中元器件與理論值之間存在一些偏差，且信號(hào)在電路中傳輸時(shí)，實(shí)際存在損耗以及排線和測(cè)試平臺(tái)的影響，均會(huì)使得測(cè)試結(jié)果存在誤差。但測(cè)試出現(xiàn)的誤差在允許范圍之內(nèi)，表明該電子鎮(zhèn)流器仍能滿足450 W HID燈的應(yīng)用要求。

表1為本文與相關(guān)文獻(xiàn)所設(shè)計(jì)鎮(zhèn)流器的性能參數(shù)對(duì)比。從表1可以看出，本文設(shè)計(jì)的電子鎮(zhèn)流器輸出效率為92.19%，高于文獻(xiàn)[6]與文獻(xiàn)[7]的輸出效率。

4" 結(jié)" 論

本文設(shè)計(jì)一款應(yīng)用于HID燈電子鎮(zhèn)流器的恒功率控制電路。使用Matlab中的Simulink仿真模塊對(duì)主電路及控制電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，并選用STM32系列的單片機(jī)完成數(shù)字控制部分。該電子鎮(zhèn)流器采用三級(jí)式結(jié)構(gòu)，以低頻方波驅(qū)動(dòng)，基于平均電流控制模式，建立了DCM模式下系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型；并且使用PI算法作為補(bǔ)償器，設(shè)計(jì)了功率控制外環(huán)與電流控制內(nèi)環(huán)，實(shí)現(xiàn)了輸出功率恒定的目標(biāo)。仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該電子鎮(zhèn)流器輸出功率平均值約為450 W，實(shí)際誤差小于3%，輸出效率為92.19%。本設(shè)計(jì)對(duì)電子鎮(zhèn)流器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

注：本文通訊作者為王斌。

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