汽车HID前照灯高压启动电路及控制策略

天狼晓月

作者：■ 1 青岛科技大学自动化学院 2 莱阳农学院国有资产管理处 李静1 杨洲2     时间：2008-09-01    来源:电子设计应用

摘要：汽车HID前照灯瞬间快速启动需要13kV~25 kV的高压，为了减小电路体积,本文提出了三倍压整流电路和能量压缩的高压启动电路。在启动阶段加入启动方向随机选择程序，缓解了电极过快烧损，延长了HID 前照灯的使用寿命，启动后引入低频电流积分控制方法，保证了可靠的辉弧过渡，自动适应不同的启动条件和老化程度。 　　关键词：HID 前照灯电子镇流器;倍压整流 　　引言 　　高强度气体放电(High Intensity Discharge，HID)灯属于新一代节能灯，已广泛应用于交通、市政、工厂等照明中。汽车高强度气体放电前照灯具有高光效、显色性好、长寿命等诸多优点，已得到各国汽车行业的高度重视。 　　大多数电子镇流器都由一个直流变换器将额定12V 的直流电压升压，再由逆变电路为灯提供交流电，以避免单侧电极的过度烧损。前级的效率直接影响到系统的效率，因此，必须合理设计升压直流环节。因为汽车前照灯要求快速启动和热灯的快速瞬间启动。冷灯启动所需的启动电压一般大于13 kV ，熄灭后重新启动的灯所需的启动电压需高达23 kV 。因此HID 前照灯启动电路的输出电压应有足够的幅值和宽度，且电压范围要宽。 　　本文提出了一种新型启动电路，并采用了电流积分作为识别冷热启动的判据，可靠地实现了快速点灯并延长了灯的使用寿命。 　　常用高压启动电路比较 　　启动期间，电子镇流器要经历高压击穿、电流接续、预热维弧3个阶段。高压启动电路是HID 前照灯能否瞬间点亮的基础。但辉光放电后惯性和滤波延迟使直流变换器和检测回路很难有较快的响应速度，所以需要如图1所示的电流接续(take-over) 电路，它可利用电容预先储存的能量为灯提供一个较大的瞬间电流(约300ms) ，保证辉弧可靠过渡。一般高压发生电路有以下几种： 图1 电流接续电路 　　单级升压电路 　　此电路一般要求匝数比很高。因高压线圈流过灯电流，所用导线不能太细，这样会使高压变压器体积增大。采用并联方式可将高压侧线圈导线做得较细，但灯需串联另外的镇流电感，这样，镇流器系统的体积也会很大。 　　双级升压电路 　　采用此电路，在产生高压的同时，高压侧绕组起到镇流电感的作用，可降低系统的体积和重量，如图2和图3所示。图2和图3的区别在于，前者采用了两级变压器，体积较大，图3电路只用了一个升压变压器，但前级采用了倍压整流电路，可降低变压器的匝数比，不会增加变压器的体积。图4是我们采用的电路，由于只有一级变压器，体积大大减小。 图2 具有两级升压变压器的高压启动电路 图3 具有倍压整流的单级升压变压器升压电路 　　高压启动电路原理分析 　　在倍压整流电路中，因变压器的副边两个方向的电流通路都存在，此时flyback部分电路不再是一个反激变换器。在启动阶段，控制程序对全桥逆变电路的母线电容C1 的端电压，也就是后级H 桥的母线电压进行400V 恒压闭环。倍压整流输出电压1200V 通过R1和R2对电容Cc充电，Cc 段电压逐渐升高。如其端电压能达到600 V ，放电管击穿，Cc放电，能量耦合到副边，产生高压。如倍压整流输出电压不够高，则会因R1、R2和R3的分压，在与Cc并联的电阻上的分压小于 600V ，不能击穿放电管。即使倍压整流的电压足够高，如果R3 相对于R1+R2 的比例不够大，也不能产生600V的击穿电压。 　　一旦Cc 的端电压使放电管击穿，将Cc中的能量转移到高压变压器的副边，在灯端产生高压，其电压值由变压器副边的电感和电容、灯状态及压敏电阻和线路电阻所构成回路的时间常数决定。 　　启动阶段的控制 　　为了可靠实现启动，控制器通过400 V 恒压闭环控制为Cc和电流接续电容快速充电，此电压如选得太低可造成启动缓慢，或启动后电路的能量不够，启动则失败。为了避免单侧电极过度烧损，必须避免每次都从单侧电极打火。程序中设定了一段启动方向随机选择子程序。 　　在电压闭环控制的同时，程序不断检测电流，一旦电流达到设定值就确认启动成功，进入维弧预热子程序(Warm-up) 阶段。此阶段时间为tpre，主要任务是维弧预热，为防止直流点灯造成单侧电极过度烧损及高频交流下过零点熄弧，本文采用了一种电流积分的方式实现低频交流方波。电流积分须满足： ，在Warm-up 期间，每次中断发生后将电流取样值加和，一旦加和达到设定值，将加和清零并翻转逆变桥切换到下一半波。重复上述过程，直到半波结束，进入功率递减过渡阶段。这样控制的优点是：可自动识别点灯温度，为后续控制提供初始依据。 图4 试验采用的高压启动电路 　　高压发生电路实验及波形 　　图5采用3倍压整流电路，放电管的额定击穿电压为600V ，高压包的匝数比1∶50 ，放电管击穿电压为600V。实验波形见图6。 图5  启动瞬间电容Cc 端电压和放电管端电压 图6 冷灯启动高压和工作电压波形 　　开关实验是为验证这套电路和控制策略的可靠性编制一套可编程控制器( PLC) 程序，用于测试电子镇流器的开关可靠性。开关实验3小时 ，共计4万次开关，均可靠启动。 　　结语 　　本文采用的高压发生电路体积小、启动电压范围宽、启动可靠。控制程序充分考虑了交流灯的特点，可最大程度地减小电极的单侧烧损，延长了前照灯的使用寿命。 　　参考文献 　　1. Roslak J ， Wallaschek J . Active lighting systems for improved road safety [C] .Proc of IEEE Intelligent Vehicles Symposium. Parma， Italy， 2004： 682 - 685 　　2. Kyu Chan Lee ， Bo Hyung Ch. Design and analysis of automotive high intensity discharge lamp ballast using micro cont roller unit [J ]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2003, 18( 6)： 1356-1364 　　3. Specification J2009 for Discharge Forward Lighting Systems[ S]. Society of Automotive Engineer s (SAE)， 1995：25-28