CN211880657U - 一种模块化宽电压大功率hid智能高效高频电子镇流器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种模块化宽电压大功率HID智能高效高频电子镇流器，包括EMI滤波器、有源功率因数校正模块和高频逆变模块。本实用新型采用模块化设计方法，便于标准化设计、调试、生产，还改变用变压器实现输入输出电压匹配的传统方法，通过调整直流母线电压实现了输入输出电压匹配，提高了电子镇流器对输入电压的适应性，也提高了电子镇流器对不同HID灯的适应性，使得高频逆变电路工作状况处于最佳状态，进一步减小功耗，提高效率，提高可靠性，提高适应性，可以减少输入电压型号，适应不同厂家生产的HID灯，可以延长HID灯使用寿命，极大减少生产商和经销商的备货型号和数量，进而极大减少其资金和货物的积压。

Description

一种模块化宽电压大功率HID智能高效高频电子镇流器

技术领域

本实用新型涉及电子镇流器领域，特别涉及一种HID高频电子镇流器。

背景技术

HID灯由于显色性好、亮度高、节能效果好、透光性好等优点在照明领域得到广泛应用，但是为确保HID灯可靠工作，需要专用镇流器。HID专用镇流器主要有电感镇流器和电子镇流器，电感镇流器因可靠性高、寿命长、价格低等优势而占市场较大份额，但因笨重、效率低、功率因数低等不足而正在逐步让位于电子镇流器。但是，直到目前为止，市场上技术成熟的电子镇流器主要是两级结构和三级结构电路形式，为避免在高频供电时发生声谐振现象，HID灯用电子镇流器的输出电压主要是低频方波。两级结构先把输入的交流电变成直流电，再把直流电变换成交流电输出，其中，前级电路是功率因数校正电路，把输入的交流电变成直流电，主要功能是实现输入电源侧高功率因数，减少谐波电流注入电网，而后级电路是逆变电路，把直流电逆变成低频方波或高频交流，输出满足HID灯照明所需要的交流电源。三级结构电路形式是在上述两级结构的前后级电路之间再加一级直流电压变换电路，实现输入和输出电压之间的匹配。目前典型的电子镇流器主要有三级电路结构的输出低频方波的电子镇流器，以及两级电路结构的基于LCC串联谐振的高频电子镇流器。前者三级功率电路，且输出级采用H桥逆变电路，功率器件多，功率损耗大，且输出频率低，输出电感大，需要附加点火装置。后者的输出级采用全桥或半桥LCC负载串联谐振电路结构，功率器件的电压或电流应力大，增加了器件成本，也增加了额外的功耗。另外，通常设计人员把电子镇流器的输入级有源功率因数校正电路的输出直流电压设计成近似等于输入电压的最大值，而输出级采用全桥或半桥结构，通过变压器变压和调频改变阻抗分压以适应不同的负载电压，特别是变压器的存在带来了附加损耗，降低了镇流器效率。

由于上述多级电路结构形式及其固有的缺陷，造成电子镇流器的电路结构复杂、成本高、效率较低、可靠性较差。电子镇流器的效率低导致了电子镇流器功耗大，产生热量多，导致温升高，需要风机散热，增加器件数量和成本，且密封性不好，降低了电子镇流器的可靠性和使用寿命。另外上述电子镇流器的控制电路主要是模拟控制方式或模拟数字混合控制方式，控制电路的实现复杂，功能不完善，可靠性较差。这些因素造成成本较高的电子镇流器可靠性较差，寿命不理想，特别是三年不良品率较高。另外密封性差也制约了其在许多需要防水、防潮、防盐雾等环境下的应用

另外，由于世界范围内的照明用的电网电压规格和等级很多，所需电子镇流器的输入电压型号也很多，主要有我国的220V，欧洲的240V和400V，美国的230V、277V、347V、480V等，还有所谓全电压105V----265V，因此电子镇流器生产商和经销商要备货型号多且数量大，会积压大量资金和货物。

还有国内外HID灯生产商很多，且各个生产商生产的HID灯种类多，HID灯主要有高压钠灯、高压汞灯、金卤灯、氙灯等，性能差别较大，甚至同一生产商生产的HID灯性能分散性也大，例如1000W高压钠灯的灯电压，有的低至180V，有的高达290V，HID灯老化后灯电压高达300多伏，对电子镇流器的负载适应性要求较高。

目前国内外电子镇流器生产商很多，由于大部分是采用整体设计技术，产品的生产效率较低，产品的调试、测试、故障排除比较困难，并且由于生产商技术储备较差，往往故障产品是整机丢弃，造成很大的浪费。

实用新型内容

为了克服上述缺陷，本实用新型提供了一种模块化宽电压大功率HID智能高效高频电子镇流器，满足了对电子镇流器的智能化、高效率、高可靠性、高功率因数、高功率密度、低成本、低谐波等要求。

本实用新型的技术方案：

一种模块化宽电压大功率HID智能高效高频电子镇流器，包括有源功率因数校正(APFC)模块、高频逆变模块和EMI滤波器。其中，

所述EMI滤波器位于电子镇流器前级，连接电网；

所述APFC模块包括功率因数校正(PFC)功率电路、功率因数校正(PFC)控制电路、辅助电源、输入电压取样电路；

所述PFC功率电路包括依次级联的单相整流桥、输入电容、BOOST升压电感、功率MOS管、泵升二极管和储能电容，其中，输入电容、BOOST升压电感、功率MOS管、泵升二极管构成一路BOOST支路；

所述单相整流桥连接EMI滤波器的输出端，把输入的交流电整流成直流电；

所述输入电容是一个小容量的CBB薄膜电容，与单相整流桥输出端并联，尽量靠近BOOST升压电感和功率MOS管，所述BOOST升压电感是一个高频电感，连接所述单相整流桥的输出端正极和所述功率MOS管的D极，所述功率MOS管的D极还与泵升二极管的A极连接，所述泵升二极管的K极与所述储能电容的正极连接，所述储能电容的负极与所述功率MOS管的S极和所述单相整流桥输出端负极连接，把所述功率MOS管的S极作为APFC模块的功率地；

所述功率MOS管是快速功率MOS管，所述泵升二极管是高速快恢复二极管，所述泵升二极管的开通速度比所述功率MOS管的关断速度快，

所述储能电容由2到4个较小容量的电解电容串并联组合得到额定容量的储能电容，再并联两个CBB高频薄膜电容，可以提高储能电容的高频特性，其中一个CBB高频薄膜电容靠近后级高频逆变模块的直流输入端，减小高频逆变电路输入脉冲电流的环路面积，另一个CBB高频薄膜电容靠近泵升二极管的K极和功率MOS管的S极，减小BOOST升压电感的放电脉冲电流的环路面积；减小脉冲电流的环路面积可以减小EMI干扰，储能电容的正极和负极作为APFC模块的输出端。

所述PFC控制电路对储能电容的电压取样，送到PFC控制芯片处理，输出PFC控制信号送到所述功率MOS管的G极控制功率MOS管开通和关断；

所述辅助电源从单相整流桥输出端取电，输出5V和15V电源，分别给PFC控制电路提供15V电源，给后级的MCU控制电路和给定与显示电路提供5V电源，给驱动电路提供5V和15V电源；

所述输入电压取样电路从单相整流桥输出端取样，对整流桥输入电压取样、调理，得到输入电压取样信号，送到后级高频逆变模块的MCU控制电路；

所述PFC控制电路的参考地与所述辅助电源的参考地、所述输入电压取样电路的参考地相连，作为APFC模块的信号地，所述APFC模块的信号地与所述APFC模块的功率地相连，

所述APFC模块的输出电压根据HID灯电压决定，APFC模块的输出直流电压不小于镇流器最大输出电压有效值的2倍，且要大于镇流器输入电压的最大值；以1000W电子镇流器为例，考虑到HID灯电压分散在180V到300V之间，特别是HID灯老化时灯电压高达300V，因此APFC模块输出电压大于600V，再考虑开关管死区时间和电感压降的影响，APFC模块输出电压620V±10V为宜。考虑到HID灯电压主要在230V到260V之间，如果为这些HID灯做配套，且输入电压是220V±22V，APFC模块输出电压530V即可。对于1000W低压金卤灯，其灯电压在110V到125V之间，如果输入电压220V±22V，APFC模块输出电压350V即可。但是APFC模块输出电压越高，越有利于降低功耗，提高效率。

所述高频逆变模块包括高频逆变功率电路和高频逆变控制电路，

所述高频逆变功率电路包括依次级联的半桥开关电路、串联电容、串联电感和并联电容，

所述半桥开关电路由两个MOS管Q1和Q2构成一个桥臂，分别为串联电容充放电提供通路，其输入端与储能电容的输出端连接；与全桥相比，省去一半功率MOS管及其驱动电路，显著降低功率器件成本和器件损耗。

所述串联电容由2到3个CBB薄膜电容并联，构建一个电压等于APFC模块输出直流电压一半的辅助直流电源，与半桥开关电路一起，把APFC模块的输出直流电变换成正负脉冲电源；

所述串联电感用于调节和限制电子镇流器输出电流和输出功率，是高频小电感，保证高频逆变功率电路的阻抗呈弱感性和低功耗，对于1000W HID灯，其电感值确定为65±10uH。

所述并联电容是CBB81高压高频薄膜电容，由2个CBB81高压薄膜电容串联，等效成一个更高耐压的点火电容；点灯时，并联电容与串联电感发生准谐振，输出高电压脉冲点灯，HID灯点亮后，并联电容被HID灯很小的阻抗旁路，不起作用。

所述半桥开关电路的电源输入端作为所述高频逆变模块的输入端，连接APFC模块的输出端，所述半桥开关电路桥臂中点连接串联电容的一端，所述串联电容的另一端与所述串联电感的一端连接，所述串联电感的另一端与所述并联电容的一端连接，所述并联电容(16)的另一端与所述半桥开关电路的下管的S极连接，所述并联电容的两端分别与高频逆变模块的输出端连接，工作时连接负载HID灯两端，所述半桥开关电路下管的S极作为所述高频逆变模块的功率地，

所述高频逆变控制电路包括输出取样电路、输出电流取样、半桥输入电流取样、MCU控制电路及缓冲电路、驱动电路、给定与显示电路，

所述输出电压取样电路、输出电流取样、半桥输入电流取样分别对镇流器的输出电压、输出电流、半桥输入电流取样，并分别将取样信号送到MCU控制电路处理，

所述MCU控制电路的MCU分别对镇流器的输入电压、输出电压、输出电流、半桥输入电流的取样信号进行采样、处理、PI调节、判别后输出3路控制信号(2路控制信号PA、PB，1路使能信号EN)，送到驱动电路控制半桥开关电路的功率MOS管的开通和关断。

所述MCU控制电路输出的镇流器工作状态信号送到给定与显示电路显示，而给定与显示电路又把镇流器输出给定信号送给MCU控制电路控制镇流器的输出功率，实现输出功率分档和可调，

所述缓冲电路采用阻止放电型缓冲电路，连接半桥开关电路，消除其功率MOS管的尖峰电压；

所述输出取样电路、输出电流取样、半桥输入电流取样、MCU控制电路及缓冲电路、驱动电路、给定与显示电路的参考地相连，作为高频逆变模块的信号地，所述高频逆变模块的信号地与所述高频逆变模块的功率地相连，

本实用新型的工作流程包括：

上电

镇流器上电，先给储能电容缓充电；同时辅助电源得电工作，输出5V和15V电源，分别给PFC控制电路、MCU控制电路、驱动电路和给定与显示电路供电；MCU得电初始化，延时等待；储能电容自然充电完毕，PFC电路空载工作；

负载检测

负载短路对电子镇流器是致命的，镇流器工作前必须要检测。MCU输出高频降频扫频信号，检测输出电压，重复数次，当输出电压全部低于给定值的最小值，表明输出负载短路，停止工作，并告警；当输出电压有1次在给定值最小值和最大值之间，表明输出负载HID灯正常，继续点灯；当输出电压高于给定值的最大值，表明输出负载开路，停止工作，并告警；

点灯

采用高频谐振点灯，MCU输出高频降频扫频信号，串联电感和并联电容发生准谐振，产生高电压点灯，当检测到灯电流大于启动阈值时，点灯成功，进入预热阶段；当降频扫频完成，还没有检测到灯电流大于启动阈值，表明负载HID灯故障，停止工作，并告警；

预热

点灯成功后进入预热阶段，采用恒流变频控制，维持灯电流等于额定电流，灯电压逐步增大，灯功率也随之增大，当灯功率达到额定功率时进入照明阶段；

照明

进入照明阶段，采用恒流或恒功率变频控制，灯电压等于额定电压，灯功率等于额定功率；为优化镇流器性能综合考虑，确定开关频率80±30kHz；

延长寿命

当HID灯工作时间接近寿命周期，HID灯电极烧蚀，灯电压增大，镇流器输出功率相应增大，延长HID灯使用寿命；

寿命终了

当HID灯电压继续增大到最大值时，表明HID灯电极烧蚀严重，接近损坏程度，寿命终了，就停止工作，并告警。如果继续工作，镇流器已接近最大输出功率，将会降低镇流器的可靠性，给镇流器带来安全隐患，此时需要及时更换HID灯。

当镇流器输入电流较大时，所述APFC模块还可以采用多路交错并联的功率因数校正(PFC)电路结构，有n路BOOST支路并联，其中BOOST支路数量n由镇流器输入电流的大小和功率器件电流容量决定，考虑电路复杂性，一般n不大于4，n路BOOST支路并联，可以显著减小功率器件损耗，减小EMI干扰，提高可靠性，并且降低对功率器件的要求，降低器件成本；对应所述PFC控制电路对储能电容的电压取样，送到PFC控制芯片处理，输出n路PFC控制信号分别一一对应控制n路BOOST支路的功率MOS管。

为降低器件成本和电路复杂程度、EMI干扰、散热等，提高镇流器综合性能，每一路BOOST支路的额定输入电流约等于2.5A；以1000W电子镇流器为例，额定输入电压为400V，则额定输入电流2.5A，用1路BOOST支路即可，兼容输入电压范围360V到440V；额定输入电压为200V，则额定输入电流5A，需用2路BOOST支路并联，兼容输入电压范围180V到440V；额定输入电压为100V，则额定输入电流10A，需用4路BOOST支路并联，兼容输入电压范围90V到440V。

为便于标准化设计、调试、生产，所述高频电子镇流器可采用模块化设计，包括EMI滤波器、APFC模块(包括PFC功率电路板和PFC控制电路板、辅助电源板、输入电压取样电路板)和高频逆变模块(包括高频逆变功率电路板、输出电流取样电路板、输出电压取样电路板、MCU控制电路板、驱动电路板、缓冲电路板、给定与显示电路板)。各模块和电路板完成对应电路的电路功能。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型避免了现有电感镇流器中大电感的笨重和整机效率低、功率因数低的问题，也避免了低频方波电子镇流器的器件多和可靠性差的问题，还避免了基于半桥LCC串联谐振电路的现有高频电子镇流器中存在的谐振回路中电容和电感的电压应力大的问题，还解决了大功率高频电子镇流器中因电流集中造成局部过热的问题，分散电流，进一步减少器件发热，提高效率，分布散热，降低温升，提高电子镇流器可靠性，减小电磁干扰，同时提高对宽输入电压的适应性，减少输入电压型号，提高对负载的适应性，适应不同厂家生产的HID灯，延长HID灯使用寿命，极大减少生产商和经销商的备货型号和数量，进而极大减少其资金和货物的积压。同时满足了对电子镇流器的智能化、高效率、高可靠性、高功率因数、高功率密度、低成本、低谐波等要求，也便于对镇流器的在线监测监控。

本实用新型具有以下优点：

1、输入电压全覆盖，对输入电压适应性强，仅100V1000W、200V1000W、400V1000W、480V1000W四个型号，极大减少生产商和经销商备货型号和数量，减少生产商和经销商的资金和货物积压；另外与单输入电压型号配合，可以优化资金和产品型号、数量。

2、镇流器输入功率因数高，不小于0.99，谐波电流小，输入波形失真小，电磁干扰小，满足各种有关电子镇流器的电磁兼容标准要求。

3、镇流器功耗明显减小，比市场上同类产品功耗降低30到50W，整机效率明显提高3％到5％，全系列1000W镇流器的效率大于95％，甚至400V1000W的整机效率接近98％，其中100V1000W镇流器的效率分别是94.83％/110V、96.99/240V，200V1000W镇流器效率分别是96.98％/240V、97.35％/347V、97.52％/400V，400V1000W镇流器效率高达97.78％/400V，400V1000W分体式镇流器的效率高达97.65％/400V。另外还可以通过优化电感和功率开关管进一步提高镇流器效率。

4、高频逆变模块采用半桥推挽逆变电路，且工作在弱电感性负载条件下，功率MOS管均实现了软开关，极大减小开关损耗和电磁干扰，提高效率和可靠性，1000W高频逆变模块效率高达99％。

5、对不同HID灯的适应性强，1000W系列镇流器可以适应目前市场上所有的1000W的HID灯，并可以对老化的HID灯延长使用寿命。

6、镇流器温升低，无风扇，自然散热，密封性好，应用范围广，适应各种环境条件。

7、数字化控制，控制灵活，控制精度高，便于网络控制。

8、具有输入过欠压保护、过流保护、输出过压保护、桥臂直通保护、输出开路保护、输出短路保护、过载保护等，保护功能完善，可靠性高。

9、高频逆变电路阻抗始终呈弱感性，避免了半桥桥臂因米勒效应出现桥臂直通问题，极大提高镇流器的可靠性。

10、采用模块化设计，包括EMI滤波器、APFC模块(辅助电源、输入电压取样电路、PFC控制电路、PFC功率主板)、高频逆变模块(输出电压取样电路、MCU半桥控制电路、半桥驱动电路、半桥缓冲电路、半桥功率主板)等模块，便于设计、调试和生产；同时前级PFC模块和后级高频逆变模块可以分开构成分体式高频电子镇流器，以及分别用作APFC电源模块和高频逆变电源模块。

11、APFC模块采用多路主从交错并联分布式电路结构，分散电流，均匀散热，减小器件功耗，减小器件发热量，降低温升，降低电磁干扰，提高效率和可靠性。

12、APFC模块采用电流临界模式多路主从交错控制，实现功率开关管零流开通和泵升二极管零流关断，减小开关损耗，减小电磁干扰，提高效率和可靠性。

13、高频逆变模块采用半桥推挽逆变电路，减小功率器件数量，提高可靠性，降低器件成本。

14、与储能电解电容并联高频薄膜电容，提高了储能电容的高频特性，延长储能电容寿命，极大提高了电子镇流器的可靠性。

15、改变用变压器变压的传统方法，采用提高APFC模块的输出电压的方法来提高镇流器对不同HID灯的适应性，实现镇流器输入输出电压的匹配。

16、技术可以移植，修改和调整功率器件参数，可以研发系列输入电压型号和功率容量的镇流器，以及PFC电源模块和高频逆变电源模块。

17、模块化设计，显著降低设计、生产、调试难度。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图(1路BOOST支路，额定输入电压400V)；

图2为本实用新型结构示意图(2路BOOST支路，额定输入电压200V)；

图3为本实用新型结构示意图(4路BOOST支路，额定输入电压100V)；

图4为本实用新型工作流程图。

图中标号分别表示，1-APFC模块，2-高频逆变模块，3-EMI滤波器，4-单相整流桥，5-输入电容，6-BOOST升压电感，7-功率MOS管，8-泵升二极管，9-储能电容，10-PFC控制电路，11-辅助电源，12-输入电压取样电路，13-半桥开关电路，14-串联电容，15-串联电感，16-并联电容，17-输出电流取样电路，18-输出电压取样电路，19-半桥输入电流取样电路，20-MCU控制电路，21-驱动电路，22-缓冲电路，23-给定与显示电路，24-BOOST支路。

具体实施方式

下面将用实施例结合说明书附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例之一：

如图1所示，以400V1000W模块化宽电压大功率HID智能高效高频电子镇流器为例，额定输入电压400V，额定输入电流2.5A，只需1路BOOST支路，本实用新型模块化宽电压大功率HID智能高效高频电子镇流器采用两级功率电路拓扑形成前级有源功率因数校正(APFC)模块1和后级高频逆变模块2两个模块，再加上输入端的EMI滤波器3，三个模块的功率主板既可以整合成一块电路板，也可以物理上分为三块电路板，前级有源功率因数校正(APFC)模块1是功率因数校正(PFC)电路，把输入的交流电变换成直流电，且保证电源输入侧功率因数大于0.99，后级高频逆变模块2是半桥推挽高频逆变电路，把APFC模块1输出的直流电变换成高频交流电为HID灯供电，EMI滤波器3连接电网用于阻止镇流器产生的EMI进入电网。

前级APFC模块1包括PFC功率电路和PFC控制电路10、辅助电源11、输入电压取样电路12，其中

PFC功率电路包括单相整流桥4、输入电容5、升压电感6、功率MOS管7、泵升二极管8、储能电容9，其中输入电容5、升压电感6、功率MOS管7、泵升二极管8构成一条BOOST支路24。

单相整流桥4连接EMI滤波器的输出端，把镇流器输入的交流电变换成脉动的直流电。

所述输入电容5是一个小容量的CBB薄膜电容，靠近BOOST升压电感6和功率MOS管7，为BOOST升压电感6的充电电流脉冲提供通路，减小该充电电流脉冲环路面积。

所述BOOST升压电感6是一个高频电感，先充电再放电，充电储能后再释放，把输入电源的电能转移到储能电容6，把较低的输入电压变换成较高的输出电压。

所述功率MOS管7是快速功率MOS管，为BOOST升压电感6提供充电通路；所述泵升二极管8是高速快恢复二极管，为BOOST升压电感6提供放电回路，并阻止储能电容9反向放电；泵升二极管的开通速度比功率MOS管的关断速度快，可以极大减小或消除功率MOS管的电压尖峰，减小EMI干扰。

所述储能电容9由2到4个较小容量的电解电容串并联组合得到额定容量的储能电容，再并联两个CBB高频薄膜电容，其中一个CBB高频薄膜电容靠近后级高频逆变模块3的直流输入端，减小高频逆变电路输入脉冲电流的环路面积，另一个CBB高频薄膜电容靠近泵升二极管8的输出端，减小BOOST升压电感6的放电脉冲电流的环路面积。

所述PFC控制电路10对APFC模块输出电压，即储能电容9两端的电压，进行取样、调理、反馈、PI调节，输出PFC控制信号，控制MOS管7开通和关断，维持APFC模块输出电压稳定。PFC控制芯片可以采用主从PFC控制芯片的主PFC控制芯片(MH2501SC)。

辅助电源11从单相整流桥4输出端取电，输出5V和15V直流电压，分别给PFC控制电路10(15V)、MCU控制电路20(5V)、驱动电路21(5V和15V)、给定与显示电路23(5V)供电。

输入电压取样电路12对单相整流桥4输出电压取样、调理，得到镇流器输入电压取样信号，送到后级MCU控制电路20，用于输入电压过欠压保护。

后级高频逆变模块2把前级APFC模块1输出的直流电逆变成高频交流电。为减少器件、减小体积、降低成本，采用半桥推挽高频逆变电路。为减小电感的损耗，采用高频小电感。为减小开关损耗和电磁干扰，电路阻抗呈弱感性，使得半桥开关电路的功率MOS管实现软开关。

高频逆变模块2包括高频逆变功率电路和高频逆变控制电路，其中

高频逆变功率电路包括半桥开关电路13、串联电容14、串联电感15、并联电容16，

半桥开关电路13由功率MOS管Q1和Q2构成一个桥臂，为串联电容14提供充放电通路。作为开关电路，也可以采用全桥开关电路，但增加了2个开关管及其驱动电路，增加了器件数量和成本，降低了可靠性。

串联电容14用于隔直和储能，用2到3个CBB薄膜电容并联组合，等效为一个直流电源，其电压约等于APFC模块1输出电压的一半。

串联电感15为高频电感，对负载灯电流和灯功率进行限制和调节，是一个高频小电感，保证等效负载呈弱感性，使得半桥开关电路13的功率MOS管实现软开关，降低器件功耗。

半桥开关电路13和串联电容14一起把APFC模块输出的直流电变换成高频的正负脉冲电源，再经串联电感15后输出高频交流电给HID灯供电。

并联电容16采用2个CBB81高压薄膜电容串联等效一个耐压更高的点火电容，并联在镇流器的输出端，与HID灯并联，其容量远小于串联电容14，点灯时与串联电感15发生串联准谐振产生高电压点灯，HID灯点亮后被小阻抗的HID灯旁路，不起作用。

高频逆变控制电路包括输出电流取样电路17、输出电压取样电路18、半桥输入电流取样电路19、MCU控制电路20、驱动电路21、缓冲电路22、给定显示电路23。

输出电流取样电路17对镇流器输出电流进行取样和调理，送给MCU，用来判别是否成功点灯，以及用于对输出的恒流控制或恒功率控制。

输出电压取样电路18对镇流器输出电压进行取样和调理，输出两路电压信号，送给MCU，一路是对准谐振点灯高电压取样，用来判别负载空载、短路、灯坏等，另一路是对正常工作时灯电压取样，用于对输出的恒功率控制。

半桥输入电流取样电路19对半桥输入电流取样和调理，送给MCU，用来判别负载过电流和半桥桥臂直通，实现负载过电流和半桥桥臂直通保护。

MCU控制电路20接收来自输入电压取样电路12、半桥输入电流取样电路19、输出电流取样电路17、输出电压取样电路18的取样信号，对之进行处理和判别，控制半桥开关电路13的功率MOS管的开通和关断，确保镇流器安全可靠工作，实现电能的变换和传输。

驱动电路21对来自MCU控制电路20的控制信号进行放大，去控制半桥开关电路13中的功率MOS管的开通和关断。

缓冲电路22吸收半桥开关电路13的功率MOS管上的电压尖峰，保证其安全。

给定显示电路23为MCU控制电路20提供镇流器输出功率参考信号，并指示输出功率和镇流器工作/故障状态。

下面结合图1和图4介绍本实用新型一种模块化宽电压大功率HID智能高效高频电子镇流器的工作流程，包括上电、负载检测、点灯、预热、照明、延长寿命、寿命终了等阶段，详细说明如下：

(1)上电

镇流器上电，给APFC模块1的储能电容9缓充电，同时辅助电源11工作，稍微延时后输出电压稳定，输出直流电压5V和15V给PFC控制电路10、MCU控制电路20、驱动电路21、给定与显示电路23供电。当储能电容9自然充电完成后，PFC电路空载工作，输出直流电压稳定，同时，MCU上电，初始化，延时等待。

(2)负载检测

负载短路对镇流器是致命的，必须要在镇流器工作前检测。MCU发出高频降频扫频信号控制半桥开关电路13的MOS管工作，检测输出端电压，重复数次，如果输出端电压全部低于给定值的最小值，表示输出端短路，MCU停止工作并告警，如果输出端电压高于给定值的最大值，表示输出端开路，MCU停止工作并告警，如果输出电压在给定值的最大值和最小值之间，表示输出端没有短路，有HID灯，可以继续工作(点灯)。

(3)点灯

本实用新型的点灯方式采用高频准谐振点灯，在功率电路的输出端并联一个小容量高压薄膜电容16用作点火电容，电路工作的开关频率降频扫频或定频，利用串联电感15与并联电容16(包括电路寄生电感和电容)准谐振产生高电压脉冲点灯。当检测到灯电流达到启动阈值时，表示HID灯已点亮，进入预热阶段。

如果灯坏或输出端负载开路，电路继续降频，更接近谐振点，输出端电压更高，超过输出电压极限值，实施谐振过电压保护。

重复数次，如果既不能检测到灯电流大于启动阈值，也不能检测到输出端谐振过电压，表示输出负载不正常，MCU停止工作并告警。

(3)预热

预热阶段，实行恒流调频控制，灯电流稳定在额定值，灯电压逐步升高，灯功率随之增大。

(4)照明

直到灯功率达到额定值，进入照明阶段，实行恒流或恒功率调频控制，灯电压等于额定电压，灯功率等于额定功率。

(5)延长寿命

HID灯使用超过额定时间后，灯电极有烧蚀，灯电压变高，灯电流变小，灯亮度变暗，MCU控制适当增加输出功率保证HID灯亮度不变，延长HID灯的使用寿命。

(6)寿命终了

当HID灯寿命终了时，灯电极烧蚀严重，灯电压超过极限值，灯亮度明显变暗，需要镇流器输出功率也接近极限值，继续工作将会降低镇流器的可靠性，甚至会损坏镇流器，MCU报警并停止工作。出现该情况后，应该及时更换HID灯。

本实施例输入电压范围360～440V，可以兼容现有400V1000W电子镇流器。

实施例之二：

在实施例之一的基础上，如图2所示，以200V1000W模块化宽电压大功率HID智能高效高频电子镇流器为例，额定输入电压200V，额定输入电流5A，需要2路BOOST支路并联，本实用新型模块化宽电压大功率HID智能高效高频电子镇流器的高频逆变模块2不变，只需在原来BOOST支路24-1(主支路)的基础上增加1路BOOST支路24-2(从支路)，BOOST支路24-1和BOOST支路24-2并联，PFC控制电路10在原PFC控制电路(主PFC控制电路)的基础上增加1路PFC控制电路(从PFC控制电路)，主PFC控制电路在输出PFC控制信号控制主支路MOS管的同时，复制并延时把PFC控制信号送给从PFC控制电路控制从支路MOS管。主PFC控制电路使用主PFC控制芯片(MH2501SC)，从PFC控制电路使用从PFC控制芯片(MH2511SC)。

另外，把EMI滤波器3更换成5A的EMI滤波器。

本实施例输入电压范围180～440V，兼容现有220V、230V、240V、277V、347V、400V电子镇流器。

实施例之三：

在实施例之一的基础上，如图3所示，以100V1000W模块化宽电压大功率HID智能高效高频电子镇流器为例，额定输入电压100V，额定输入电流10A，需要4路BOOST支路并联，本实用新型模块化宽电压大功率HID智能高效高频电子镇流器的高频逆变模块2不变，只需在原来BOOST支路24-1(主支路)的基础上增加3路BOOST支路24-2(从支路1)、24-3(从支路2)、24-4(从支路3)，BOOST支路24-1和BOOST支路24-2、24-3、24-4并联，PFC控制电路10在原PFC控制电路(主PFC控制电路)的基础上增加3路PFC控制电路(从PFC控制电路1、2、3)，主PFC控制电路在输出PFC控制信号控制主支路MOS管的同时，复制并延时把PFC控制信号送给从PFC控制电路1控制从支路1的MOS管，从PFC控制电路1再复制并延时把PFC控制信号送给从PFC控制电路2控制从支路2的MOS管，从PFC控制电路2再复制并延时把PFC控制信号送给从PFC控制电路3控制从支路3的MOS管。以此类推。

另外，把EMI滤波器3更换成10A的EMI滤波器。

本实施例的输入电压范围85～440V，兼容现有105-265V、110V、115V、220V、230V、240V、277V、347V、400V电子镇流器。

实施例之四：

在实施例之一的基础上，APFC模块输出电压改为700～750V，可以兼容现有输入电压480V的电子镇流器。

实施例之五：

在图1所示的实施例之一的基础上，把APFC模块和高频逆变模块分开，并用多股电缆一一对应连接，可以研制成分体式高频电子镇流器，以满足不同需求。

尽管已经示出和描述了本实用新型的部分实施例，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

Claims (3)

1.一种模块化宽电压大功率HID智能高效高频电子镇流器，其特征在于：包括有源功率因数校正模块APFC模块(1)、高频逆变模块(2)和EMI滤波器(3)，其中，

所述EMI滤波器(3)位于电子镇流器前级，连接电网；

所述APFC模块(1)包括功率因数校正功率电路PFC功率电路、功率因数校正控制电路PFC控制电路(10)和辅助电源(11)、输入电压取样电路(12)；

所述PFC功率电路包括依次级联的单相整流桥(4)、输入电容(5)、BOOST升压电感(6)、功率MOS管(7)、泵升二极管(8)和储能电容(9)，其中，输入电容(5)、BOOST升压电感(6)、功率MOS管(7)、泵升二极管(8)构成一路BOOST支路(24)，

所述单相整流桥(4)接EMI滤波器(3)的输出端，

所述输入电容(5)是一个小容量的CBB薄膜电容，与单相整流桥(4)输出端并联，尽量靠近BOOST升压电感(6)和功率MOS管(7)，所述BOOST升压电感(6)是一个高频电感，连接所述单相整流桥(4)的输出端正极和所述功率MOS管(7)的D极，所述功率MOS管(7)的D极还与泵升二极管(8)的A极连接，所述泵升二极管(8)的K极与所述储能电容(9)的正极连接，所述储能电容(9)的负极与所述功率MOS管(7)的S极和所述单相整流桥(4)输出端负极连接，把所述功率MOS管(7)的S极作为APFC模块(1)的功率地，

所述功率MOS管(7)是快速功率MOS管，所述泵升二极管(8)是高速快恢复二极管，所述泵升二极管(8)的开通速度比所述功率MOS管(7)的关断速度快，

所述储能电容(9)由2到4个较小容量的电解电容串并联组合得到额定容量的储能电容，再并联两个CBB高频薄膜电容，其中一个CBB高频薄膜电容靠近后级高频逆变模块(2)的直流输入端，另一个CBB高频薄膜电容连接所述泵升二极管(8)的K极和所述功率MOS管(7)的S极，所述储能电容(9)的正极和负极作为APFC模块(1)的输出端，

所述PFC控制电路(10)对储能电容(9)的电压取样，送到PFC控制芯片处理，输出PFC控制信号送到所述功率MOS管(7)的G极控制功率MOS管(7)开通和关断，

所述辅助电源(11)从单相整流桥(4)输出端取电，输出5V和15V电源，分别给PFC控制电路(10)提供15V电源，给后级的MCU控制电路(20)和给定与显示电路(23)提供5V电源，给驱动电路(21)提供5V和15V电源；

所述输入电压取样电路(12)从单相整流桥(4)输出端取样，对整流桥输入电压取样、调理，得到输入电压取样信号，送到后级高频逆变模块(2)的MCU控制电路(20)；

所述PFC控制电路(10)的参考地与所述辅助电源(11)的参考地、所述输入电压取样电路(12)的参考地相连，作为APFC模块(1)的信号地，所述APFC模块(1)的信号地与所述APFC模块(1)的功率地相连，

所述APFC模块(1)的输出电压根据HID灯电压决定，APFC模块(1)的输出电压不小于镇流器最大输出电压的2倍，且不小于APFC模块(1)输入电压最大值；根据1000W HID灯电压在180～300V之间，甚至老化时高达300V，考虑适应所有HID灯，再考虑开关电路死区时间和串联电感压降的影响，确定所述APFC模块(1)的输出电压是620V±10V，

所述高频逆变模块(2)包括高频逆变功率电路和高频逆变控制电路，

所述高频逆变功率电路包括依次级联的半桥开关电路(13)、串联电容(14)、串联电感(15)和并联电容(16)，

所述半桥开关电路(13)由两个MOS管Q1和Q2构成一个桥臂，

所述串联电容(14)由2到3个CBB薄膜电容并联，构建一个电压等于APFC模块(1)输出直流电压一半的辅助直流电源，与半桥开关电路(13)一起，把APFC模块(1)的输出直流电变换成正负脉冲电源；

所述串联电感(15)是高频小电感，对于1000W HID灯，其电感值确定为65±10uH，保证高频逆变功率电路的阻抗呈弱感性和低功耗；

所述并联电容(16)是CBB81高压高频薄膜电容，由2个CBB81高压薄膜电容串联，等效成一个更高耐压的点火电容；

所述半桥开关电路(13)的电源输入端作为所述高频逆变模块(2)的输入端，连接APFC模块(1)的输出端，所述半桥开关电路(13)桥臂中点连接串联电容(14)的一端，所述串联电容(14)的另一端与所述串联电感(15)的一端连接，所述串联电感(15)的另一端与所述并联电容(16)的一端连接，所述并联电容(16)的另一端与所述半桥开关电路(13)的下管的S极连接，所述并联电容(16)的两端分别与高频逆变模块(2)的输出端连接，工作时连接负载HID灯两端，所述半桥开关电路(13)下管的S极作为所述高频逆变模块(2)的功率地，

所述高频逆变控制电路包括输出电压取样电路(18)、输出电流取样电路(17)、半桥输入电流取样电路(19)、MCU控制电路(20)及缓冲电路(22)、驱动电路(21)、给定与显示电路(23)，

所述输出电压取样电路(18)、输出电流取样电路(17)、半桥输入电流取样电路(19)分别对镇流器的输出电压、输出电流、半桥输入电流取样，并分别将取样信号送到MCU控制电路(20)处理，所述MCU控制电路(20)连接驱动电路(21)，MCU控制电路(20)输出控制信号经驱动电路(21)控制半桥开关电路(13)的功率MOS管的开通和关断，

所述MCU控制电路(20)输出的镇流器工作状态信号送到给定与显示电路(23)显示，而给定与显示电路(23)又把镇流器输出给定信号送给MCU控制电路(20)控制镇流器的输出功率，实现输出功率分档和可调，

所述缓冲电路(22)采用阻止放电型缓冲电路，连接半桥开关电路(13)，消除其功率MOS管的尖峰电压；

所述输出电压取样电路(18)、输出电流取样电路(17)、半桥输入电流取样电路(19)、MCU控制电路(20)及缓冲电路(22)、驱动电路(21)、给定与显示电路(23)的参考地相连，作为高频逆变模块(2)的信号地，所述高频逆变模块(2)的信号地与所述高频逆变模块(2)的功率地相连，

镇流器上电，先给储能电容(9)缓充电；同时辅助电源(11)得电工作，输出5V和15V电源，分别给PFC控制电路(10)、MCU控制电路(20)、驱动电路(21)和给定与显示电路(23)供电；MCU得电初始化，延时等待；储能电容(9)自然充电完毕，PFC电路空载工作；

负载检测

MCU输出高频降频扫频信号，检测输出电压，重复数次，当输出电压全部低于给定值的最小值，表明输出负载短路，停止工作，并告警；当输出电压有1次在给定值最小值和最大值之间，表明输出负载HID灯正常，继续点灯；当输出电压高于给定值的最大值，表明输出负载开路，停止工作，并告警；

MCU输出高频降频扫频信号，串联电感(15)和并联电容(16)发生准谐振，产生高电压点灯，当检测到灯电流大于启动阈值时，点灯成功，进入预热阶段；当降频扫频完成，还没有检测到灯电流大于启动阈值，表明负载HID灯故障，停止工作，并告警；

预热

点灯成功后进入预热阶段，采用恒流变频控制，维持灯电流等于额定电流，灯电压逐步增大，灯功率也随之增大，当灯功率达到额定功率时进入照明阶段；

进入照明阶段，采用恒流或恒功率变频控制，灯电压等于额定电压，灯功率等于额定功率；为优化镇流器性能综合考虑，确定开关频率80±30kHz；

当HID灯工作时间接近寿命周期，HID灯电极烧蚀，灯电压增大，镇流器输出功率相应增大，延长HID灯使用寿命；

当HID灯电压继续增大到最大值时，表明HID灯电极烧蚀严重，接近损坏程度，停止工作，并告警。

2.根据权利要求1所述的一种模块化宽电压大功率HID智能高效高频电子镇流器，其特征在于：所述高频电子镇流器可采用模块化设计，包括EMI滤波器(3)、APFC模块(1)，所述APFC模块(1) 由PFC功率电路和PFC控制电路(10)、辅助电源(11)、输入电压取样电路(12)四部分组成；所述高频电子镇流器还包括高频逆变模块(2)，所述高频逆变模块(2) 由高频逆变功率电路、输出电流取样电路(17)、输出电压取样电路(18)、MCU控制电路(20)、驱动电路(21)、缓冲电路(22)、给定与显示电路(23)七部分组成。

3.根据权利要求1所述的一种模块化宽电压大功率HID智能高效高频电子镇流器，其特征在于：所述APFC模块(1)还可以采用多路交错并联的功率因数校正(PFC)电路结构，有n路BOOST支路并联，其中BOOST支路数量n由镇流器输入电流的大小和功率器件电流容量决定，一般n不大于4；对应所述PFC控制电路(10)对储能电容(9)的电压取样，送到PFC控制芯片处理，输出n路PFC控制信号分别一一对应控制n路BOOST支路的功率MOS管。

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