高强度气体放电灯电子镇流技术研究

摘要

高强度气体放电(High Intensity Discharge)灯以其高光通、高光效、长寿命和放电管小等特点，已成为照明领域极具竞争力的新光源。由于体积大、噪声和频闪的缺陷，电感式镇流器达不到绿色照明的要求。随着电力电子技术的发展和对高强度气体放电的认识，开始研制以高频变换为基础的电子镇流器，但HID灯在高频工作时极易产生声谐振现象，如电弧闪烁、扭曲和光强不稳，严重时可能熄弧，甚至导致灯管毁损。 本文对气体放电原理、等离子体的微观运动和宏观性质等方面进行研究，详细推导了高强度气体放电灯中等离子体振荡的特征方程，以揭示等离子体的振荡现象的激励机理和决定因素。 对等离子体振荡的外在表现--声谐振现象的电弧、声波和电气特征进行研究，集中分析了常规的声谐振抑制方法，着重研究了各种频率调制技术的频谱特征及其应用特点。 所研究的HID灯电子镇流器采用了两级拓扑结构，输入级的有源功率因数校正Boost电路和输出级的桥式逆变电路均采用PWM控制技术。PWM输出含有大量的谐波成分，频率和幅度固定，是产生电磁干扰和声谐振的能量源。 分析了输入电流谐波与功率因数的关系，讨论了有源功率因数校正技术，根据实际应用要求，提出了有源功率因数校正电路的改进设计，并研究了各种可变频率驱动和自振荡驱动技术。 根据声谐振的产生需要特定频率和足够能量以及谐波产生电磁干扰的结论，提出利用频谱分散方法，将PWM输出谐波的频率分散到更宽的范围，以降低输入电流总谐波失真度，减小电磁干扰；避免输出级}JID灯的驱动信号在固定频率点上形成驻波，抑制声谐振的产生。 研究了Boost电路和等离子体中的混沌现象、特征及其控制方法，提出采刚无反馈型的混沌控制方法--参数共振微扰法，通过给激励参数以特定频率的扰动，减弱甚至消除其中的混沌运动；同时获得连续的宽带频谱。 最后，对Boost电路和输出逆变电路，分别采用了不同的共振参数进行混沌控制，实现了对PWM波的实时在线混沌调制。获得了更多的频率成份，将PWM输出谐波的频率分散到更宽的范围，降低了各次谐波频率的准峰值：并使得驱动频率围绕中心频率不断非线性漂移，降低谐波幅值的平均值。 混沌调制电路简单实用。测试波形和数据表明：混沌调制技术能有效减小PWM电路产生的谐波，降低了输入级电路产生的电磁干扰，抑制了输出级的声谐振现象。

目录

文摘

英文文摘

前言

声明

1绪论

1.1研究的目的及意义

1.2电子镇流的应用、发展和技术要求

1.2.1电子镇流器的应用

1.2.2电子镇流器的发展

1.2.3高强度气体放电灯对电子镇流器的要求

1.3国内外研究现状

1.4课题研究内容及文章内容

2高强度气体放电原理

2.1电子镇流器常用术语与电光源分类

2.1.1电子镇流器常用术语

2.1.2电光源的分类及特点

2.2气体放电原理

2.2.1等离子体的概念

2.2.2等离子体的微观运动

2.2.3等离子体的宏观运动

2.2.4气体放电的等离子振荡

2.2.5弧光放电

2.2.6等离子体的声学基础

2.3数学模型

2.3.1动态模型

2.3.2小信号模型

2.3.3HPS灯稳态建模

2.3.4MH灯建模

2.4小结

3电子镇流技术

3.1电子镇流器的工作原理

3.2高频逆变

3.2.1主电路设计

3.2.2控制方法

3.3功率控制

3.3.1基波等效原理

3.3.2恒功率控制

3.3.3调光原理与方法

3.3.4调光对灯的影响

3.4声谐振特征与抑制

3.4.1声谐振的特征

3.4.2声谐振的抑制

3.5频率调制

3.5.1低频方波叠加高频信号

3.5.2高频信号叠加低频信号

3.5.3白噪声调制

3.5.4其他频率调制

3.6前馈控制

3.7小结

4功率因数校正

4.1输入电流的波形畸变

4.2功率因数与电流谐波的关系

4.3电流谐波与电磁干扰

4.4无源功率因数校正

4.5有源功率校正

4.5.1Boost电路

4.5.2APFC改进设计

4.5.3可变频率驱动

4.5.4自振荡电路

4.6小结

5频谱分散

5.1频谱分散技术简介

5.2频谱分析

5.2.1固定脉宽调制PWM频谱

5.2.2SPWM频谱

5.2.3其它脉冲调制频谱

5.2.4双频率调制频谱

5.2.5随机开关调制频谱

5.2.6抖动调制频谱

5.3小结

6混沌调制

6.1电子镇流中的混沌现象

6.1.1Boost电路中的混沌现象

6.1.2CCM模式下Boost电路的混沌现象

6.1.3等离子体中的混沌现象

6.2混沌控制的基本方法

6.2.1混沌控制方法

6.2.2混沌控制实现途径

6.2.3混沌控制理论的应用

6.3功率因数电路的混沌校正

6.3.1混沌抑制

6.3.2离线谐波频谱分散

6.3.3实时谐波频谱分散

6.4声谐振的混沌抑制

6.4.1振荡频率混沌调制

6.4.2幅度混沌调制

6.4.3组合混沌调制

6.5小结

结论

致谢

参考文献

在校学习期间发表的论文