汽車HID前照燈高壓啟動電路及控制策略

HID前照燈因具有高光效、顯色性好、長壽命等諸多優點，是下一代汽車前照燈的重要選擇?介紹一種新型的HID前照燈啟動電路，可靠地實現了快速點燈并延長了燈的使用壽命?
解決方案：

控制器通過400 V恒壓閉環控制為Cc和電流接續電容快速充電??
采用電流積分的方式實現低頻交流方波點燈避免直流和高頻交流點燈的危害

高強度氣體放電(High Intensity Discharge，HID)燈屬于新一代節能燈，已廣泛應用于交通、市政、工廠等照明中。汽車高強度氣體放電前照燈具有高光效、顯色性好、長壽命等諸多優點，已得到各國汽車行業的高度重視。

大多數電子鎮流器都由一個直流變換器將額定12V 的直流電壓升壓，再由逆變電路為燈提供交流電，以避免單側電極的過度燒損。前級的效率直接影響到系統的效率，因此，必須合理設計升壓直流環節。因為汽車前照燈要求快速啟動和熱燈的快速瞬間啟動。冷燈啟動所需的啟動電壓一般大于13 kV ，熄滅后重新啟動的燈所需的啟動電壓需高達23 kV 。因此HID 前照燈啟動電路的輸出電壓應有足夠的幅值和寬度，且電壓范圍要寬。

本文提出了一種新型啟動電路，并采用了電流積分作為識別冷熱啟動的判據，可靠地實現了快速點燈并延長了燈的使用壽命。

常用高壓啟動電路比較
啟動期間，電子鎮流器要經歷高壓擊穿、電流接續、預熱維弧3個階段。高壓啟動電路是HID 前照燈能否瞬間點亮的基礎。但輝光放電后慣性和濾波延遲使直流變換器和檢測回路很難有較快的響應速度，所以需要如圖1所示的電流接續(take-over) 電路，它可利用電容預先儲存的能量為燈提供一個較大的瞬間電流(約300ms) ，保證輝弧可靠過渡。一般高壓發生電路有以下幾種：

圖1 電流接續電路

a.單級升壓電路
此電路一般要求匝數比很高。因高壓線圈流過燈電流，所用導線不能太細，這樣會使高壓變壓器體積增大。采用并聯方式可將高壓側線圈導線做得較細，但燈需串聯另外的鎮流電感，這樣，鎮流器系統的體積也會很大。

b.雙級升壓電路
采用此電路，在產生高壓的同時，高壓側繞組起到鎮流電感的作用，可降低系統的體積和重量，如圖2和圖3所示。圖2和圖3的區別在于，前者采用了兩級變壓器，體積較大，圖3電路只用了一個升壓變壓器，但前級采用了倍壓整流電路，可降低變壓器的匝數比，不會增加變壓器的體積。圖4是我們采用的電路，由于只有一級變壓器，體積大大減小。

圖2 具有兩級升壓變壓器的高壓啟動電路

圖3 具有倍壓整流的單級升壓變壓器升壓電路

高壓啟動電路原理分析
在倍壓整流電路中，因變壓器的副邊兩個方向的電流通路都存在，此時flyback部分電路不再是一個反激變換器。在啟動階段，控制程序對全橋逆變電路的母線電容C1 的端電壓，也就是后級H 橋的母線電壓進行400V 恒壓閉環。倍壓整流輸出電壓1200V 通過R1和R2對電容Cc充電，Cc 段電壓逐漸升高。如其端電壓能達到600 V ，放電管擊穿，Cc放電，能量耦合到副邊，產生高壓。如倍壓整流輸出電壓不夠高，則會因R1、R2和R3的分壓，在與Cc并聯的電阻上的分壓小于 600V ，不能擊穿放電管。即使倍壓整流的電壓足夠高，如果R3 相對于R1+R2 的比例不夠大，也不能產生600V的擊穿電壓。

一旦Cc 的端電壓使放電管擊穿，將Cc中的能量轉移到高壓變壓器的副邊，在燈端產生高壓，其電壓值由變壓器副邊的電感和電容、燈狀態及壓敏電阻和線路電阻所構成回路的時間常數決定。

啟動階段的控制
為了可靠實現啟動，控制器通過400 V恒壓閉環控制為Cc和電流接續電容快速充電，此電壓如選得太低可造成啟動緩慢，或啟動后電路的能量不夠，啟動則失敗。為了避免單側電極過度燒損，必須避免每次都從單側電極打火。程序中設定了一段啟動方向隨機選擇子程序。

在電壓閉環控制的同時，程序不斷檢測電流，一旦電流達到設定值就確認啟動成功，進入維弧預熱子程序(Warm-up) 階段。此階段時間為tpre，主要任務是維弧預熱，為防止直流點燈造成單側電極過度燒損及高頻交流下過零點熄弧，本文采用了一種電流積分的方式實現低頻交流方波。電流積分須滿足： ，在Warm-up 期間，每次中斷發生后將電流取樣值加和，一旦加和達到設定值，將加和清零并翻轉逆變橋切換到下一半波。重復上述過程，直到半波結束，進入功率遞減過渡階段。這樣控制的優點是：可自動識別點燈溫度，為后續控制提供初始依據。

圖4 試驗采用的高壓啟動電路

高壓發生電路實驗及波形
圖5采用3倍壓整流電路，放電管的額定擊穿電壓為600V ，高壓包的匝數比1∶50 ，放電管擊穿電壓為600V。實驗波形見圖6。

圖5 啟動瞬間電容Cc 端電壓和放電管端電壓

圖6 冷燈啟動高壓和工作電壓波形

開關實驗是為驗證這套電路和控制策略的可靠性編制一套可編程控制器( PLC) 程序，用于測試電子鎮流器的開關可靠性。開關實驗3小時 ，共計4萬次開關，均可靠啟動。

結語
本文采用的高壓發生電路體積小、啟動電壓范圍寬、啟動可靠?？刂瞥绦虺浞挚紤]了交流燈的特點，可最大程度地減小電極的單側燒損，延長了前照燈的使用壽命。