HID灯和电子镇流器间的接口设计及镇流器可靠性研究

曹箫洪

(上海亚明灯泡厂有限公司电器开发部，上海市嘉定区201801)

1 HID电光源概述

HID照明系统由HID电光源、驱动电源(镇流器)和灯具三部分构成，其中核心是光源。镇流器和灯具的设计方向总是围绕如何让光源达到最佳的照明效果来扩展的。目前，根据发光物质的差别，HID电光源分三大类，即高压汞灯(HPL)、高压钠灯(HPS)和金卤灯(MH)，其中金卤灯又分石英金卤灯(QMH)和陶瓷金卤灯(CMH或者CDM)两种。

以前HPL灯主要应用于户外照明，但是由于它的光效较低，HPL现在已逐渐被HPS灯取代。虽然LED路灯概念初步付诸了实践，但是户外照明中性价比最高的依然是传统电感式镇流器驱动的HPS灯。HPS的初始光效可以达到100 lm/W以上，并且可以实现20%的调光，非常适合于照明节能，这都是HPS的主要优点。但是HPS的显色指数(CRI)较小，只有20左右，难看的黄光是HPS灯主要的缺陷。同属钠灯系列的白钠灯(SDW)通过牺牲光效(50lm/W附近)，可以将CRI大大提高到80以上，在超市的肉类橱窗里很有用武之地。

光效和显色指数这两个指标，在钠灯系列电光源中是不易兼得的，但在金卤灯中却得到了很好的平衡，例如:金卤灯初始光效在80lm/W之上，显色指数在70以上。同QMH相比，大批量生产的CDM的初始色温一致性好，长期工作后的色温稳定性好，CDM放电管壁材料采用PCA，对卤盐的腐蚀性耐力较强，从而避免了QMH放电管在某些状态下爆炸的危险。同等功率的CDM同QMH相比(如70W)，显色指数和光效都提高了10多个点，预期寿命是QMH的1.5倍左右。并且，可以被调光到50%的CDM灯也已经问世。在不久的将来，光效可以和HPS灯媲美、显色性好、可调光的CDM灯将成为户外照明的新生力量。

HID灯初始光效是指灯在连续工作100小时之后所测得的光效，它的高低由灯自身特性决定，同镇流器性能基本无关。但是，HID灯长期工作的时效性—流明(光效)维持率和CRI稳定性，却极大地受驱动镇流器性能的影响。由于照明系统的核心是电光源，所以在保证安全和满足成本控制等要求的前提下，最大限度地发挥灯的照明效果，是镇流器优化设计的基本准则。抛开镇流器的市场因素不说，如果只从照明系统的性能角度出发，评估电子镇流器质量优劣的最重要指标就是灯—镇流器接口性能(Lamp Driver Interaction or Interface-LDI)的好坏。LDI是一个综合指标，首先它根据灯的工作特性，要求镇流器有适合的参数匹配，以便给灯提供最佳的驱动效果;其次，它要求在灯的不同工作阶段和异常工作状态下镇流器都有很好的可靠性。HID镇流器和灯的匹配性及镇流器自身的可靠性是本文讨论的核心。

2 HID灯和电子镇流器间接口性能指标(LDI)

HID灯的工作是一个复杂的气体放电和原子发光的过程，HID灯要被可靠点亮并长期稳定高效地工作，必须对灯电压、灯电流和灯功率的大小、形状、频率、谐波含量等电学参数提出规范化的要求，而HID电子镇流器线路拓扑不断发展及控制方法不断完善的目的也就是为了更好地达到这些规范化的要求。HID灯的各个工作阶段直接关联HID镇流器的设计，它们分别是:

(1)放电管的电流击穿同镇流器的点火尖峰电压间的关系:当镇流器产生的点火尖峰电压足够大时(>3kV)，HID放电管中的中性原子(如汞原子)开始被电离，正离子轰击电极并产生大量电子，导致电子雪崩和自持放电，这就是放电管的电流击穿阶段，该阶段的放电是辉光放电，要求镇流器给放电管电极之间提供足够高度和宽度的电压尖峰。如果尖峰电压峰值不够大，或者尖峰电压中累积有效脉宽不够大，则放电管不易自持放电;如果尖峰电压峰值太大(如>5kV)，则在HID灯的热点火时，在HID外泡的两个电极引线之间可能会发生拉弧打火现象。另外，基于安全考虑，镇流器的点火过程应该是可控的，当点火时间超过30分钟时，点火线路必须停止工作。

(2)放电管的电压击穿同镇流器开路电压(OCV)间的关系:在辉光放电发生后，如果在放电管两个电极之间维持足够大的电压，则电子雪崩程度会加剧，最终导致放电管电极两端电压从开路电压(open-circuit voltage，OCV)跳变到10V左右，该过程被称为辉光放电到弧光放电的转移(GTA)，这就是放电管的电压击穿阶段，该阶段要求镇流器能够在放电管两个电极之间维持足够大的OCV。如果OCV不够大，则放电管的电压击穿不易实现，GTA不顺畅，很难过渡到稳定的弧光放电阶段，则辉光放电维持时间被拉长;如果OCV过大，则汞正离子对电极的轰击太过剧烈，会引起电极物质的过渡溅射。辉光放电维持时间长，电极物质溅射严重，是HID灯寿命缩短以及流明维持率骤减的主要原因，所以OCV过小或者过大，都是不允许的。

(3)放电管的Runup过程同镇流器的Runup电流大小间的关系:HID灯的Runup过程就是放电管中汞齐和卤盐气化，电极两端电压和灯功率逐步增大的过程，当灯功率达到满功率时，Runup阶段完成。在CDM灯的Runup阶段，镇流器最好能够输出大小恒定的Runup电流，并且Runup电流大小的设置应符合灯的规格要求。如果Runup电流过小，则放电管卤盐不能气化，灯会熄灭;而如果Runup电流过大，则电极物质蒸发损耗太大，放电管管壁过早发黑，也会引起流明维持率骤减。

(4)放电管中的声共振、放电管的老化同镇流器输出电流波形间的关系:金卤灯能否稳定长期工作，灯流明维持率的高低、使用寿命的长短，同镇流器输出到灯中的电流波形形状关系很大。理论和实践都证明，低频方波电流是驱动金卤灯的最佳方式，它能有效抑制金卤灯放电管中的声共振、延缓流明维持率的衰减速度、延长金卤灯的使用寿命。对低频方波电流形状的要求，又可细化为以下指标:①电流频率应该介于70Hz～400Hz之间，以克服频闪并避开声共振;②电流换向速度要快，尽量保证换流在100uS以内完成，以便减少换向过程中的电子复合和辉光放电;③换流边沿的电流过冲要小，电流峰值因数(CF)小，以便减弱电极物质的蒸发;④灯电流中包含的高频纹波含量要尽量少，否则声共振有被激发的危险。

(5)放电管中光色稳定性同镇流器功率控制间的关系:随着HID灯的老化(卤盐成分变化和流失、电极物质的溅射和蒸发)，灯电压会不断上升，而功率控制的目的就是保证灯功率按照设定的规律变化。HID灯的功率控制，对于稳定光色和延长灯管的使用寿命都是必须的。在金卤灯中，如果灯功率过低，则光色偏绿;若灯功率过高，虽然光色不变，但是会导致放电管管壁温度和及其中的卤盐温度升高，加速管壁的腐蚀和老化。金卤灯(QMH和CDM)的功率控制要求比较简单，那就是在灯电压的整个正常工作范围内(如70V～150V)，灯功率基本维持不变。在大批量生产中，不同金卤灯个体之间的功率存在偏差，一般来说，实际灯功率同额定灯功率之间有±3%到±5%的偏差是允许的。

在白钠灯(SDW)中，不同于金卤灯的地方是，即便白钠灯一直工作在初始额定功率上，但随着灯电压的上升，光色也会漂移，所以白钠灯的灯功率不仅不能过低和过高，而且灯功率大小必须随着灯压的上升而不断调整，以便维持光色的稳定。

(6)放电管寿终(End-of-life，EOL)风险同镇流器EOL保护功能间的关系:在金卤灯中，气体放电和发光是在石英或陶瓷内胆中发生的，但是由于老化或其他原因，内胆中的卤盐可能会泄漏到外泡之中。当外泡中卤盐浓度气压超过5mPar时，外泡中也会发生气体放电，并导致灯座温度显著上升和灯线绝缘层的快速老化和破损，从而带来触电等安全风险，这就是HID灯的EOL风险。正是由于HID灯在EOL工作阶段涉及到用户的安全问题，IEC标准(60598)要求在HID灯具中，在HID灯泡的EOL工作状态，灯座温度不能超过180°，或者对应于HID灯泡箍颈(Pinch)部位的温度不可以超过350°。为了达到这个标准，HID镇流器必须具有识别HID灯泡EOL特征的功能，并在EOL工作状态出现时，要尽快停止HID灯的工作。

EOL风险的严重程度主要同3个因素有关，分别是:①灯泡内胆容积同外泡容积的比值;②灯泡内胆中卤盐填充浓度(气压);③外泡中放电类型。相比较而言，150W CMH灯泡的EOL风险最大。不同公司生产的150W CDM灯，灯泡内胆中填充的卤盐浓度可能不相同，因而EOL风险也各不相同。即便是同一个150W，工作在EOL状态的CDM灯泡，它的EOL风险大小还同外泡中的放电模式相关联。EOL灯泡中，外泡中的放电分以下3种:①辉光放电模式;②弧光放电模式;③白炽灯模式，其中弧光放电模式和白炽灯模式的安全风险最大。

在知名国际品牌的CMH灯中，试验数据表明，150W CMH灯中，GE公司生产的灯泡EOL风险较大;而70W CMH灯中，Philips公司生产的灯泡EOL风险较大。

图1给出了CDM灯工作在EOL阶段的辉光放电状态(左)和白炽灯状态(右)的图片。白炽灯状态下，输入到灯的电功率大部分耗散在焦耳热的产生上(而不是发光)，从而灯脚(Pin)和灯线温升很大，灯线绝缘层容易被烫伤破损和过早老化，可能导致灯线金属层同灯具发生短路和用户被电击的危险。

图1 工作在辉光放电状态和白炽灯状态的EOL灯图片

3 HID电子镇流器同灯接口设计的基本原理

LDI具有双重意义，它不仅要求HID镇流器给HID灯提供良好的驱动，同时要求在HID灯所有工作阶段和可能的异常工作状态下，HID电子镇流器都具有高度的可靠性来抵御失效。

通过上面的叙述，我们知道，要深入理解HID灯的性能要求和工作特性，将灯在不同工作阶段所需要的驱动条件及对应的等效电学参数融汇到镇流器的设计中，是HID电子镇流器设计的基本立足点和出发点。首先，为了驱动HID灯，HID电子镇流器必须具备的基本外部特性是:

(1) 在灯的点火阶段，提供恒定的OCV电压和适当高度和足够宽度的点火尖峰电压，点火时序和点火维持时间是可控的;

(2) 在灯的Runup阶段，提供恒定的Runup电流;

(3) 在灯的正常工作阶段，提供恒定的输出功率或者恒定光色控制。

(4) 在灯的EOL工作阶段，能够识别EOL状

电力电子线路中的“临界电感电流模式”技术也被应用到HID电子整流器的线路设计之中，在临界电感电流模式下，灯电流的大小控制就非常简单，因为电感电流峰值的一半就等于灯电流，所以在灯的Runup阶段，只要将电感电流的峰值控制在设定值，就可以实现恒电流Runup。另外，这个技术对于提高镇流器的可靠性，实现“零电压开关”和改善电磁兼容性都起到重要的作用。

从对HID灯的匹配性而言，三级结构的镇流器是最友善的，并且在控制方法的实施难易程度上，利用三级结构的HID镇流器来实现灯所要求的恒压、恒流和恒功率(恒光色)是比较简单的，其中BUCK变换器的控制是核心。在三级线路中(图2上)，BOOST变换器实现功率因数校正和恒定直流电压输出的两大功能，BUCK变换器实现稳压(点火阶段)和限流(Runup阶段和正常工作阶段)的两大功能，而逆变桥实现低频换向的功能。首先，在灯的点火阶段，控制BUCK变换器输出电压的大小，可以给灯提供恒定的OCV电压。在灯的Runup阶段，控制工作于临界模式的BUCK变换器电感电态，并采取适合的保护动作。

简单的说，在HID灯不同的工作阶段，电子镇流器分别具有恒压、恒流、恒功率的外部特性，为了使镇流器具备这些输出特性，同时为了顺应电力电子产品发展的基本趋势(高能效、高功率密度、小型化)，镇流器内部线路必须采取适合的拓扑结构及控制逻辑。

目前市场上HID电子镇流器的主电路拓扑分三级结构和两级结构两类，而两极拓扑又分全桥两极(FBCF)和半桥两极(HBCF)两种，它们的原理图在图2给出。

在HID电子镇流器中，基于安全原因，点火尖峰电压发生线路的工作应该交由定时器来控制，并且通过调整与灯相串联的升压变压器的匝比(如图中的Lig元件)以及调整同该变压器绕组相并联的点火电容容值大小，就可以将点火尖峰的高度和宽度调整到适合的数值。当灯被点亮时，尖峰电压发生线路的工作被中止;当超过一定时间后，如果灯仍然不能被点亮，则停止尖峰电压发生线路的工作。为了降低HID灯的EOL风险，点火动作应该是间断式的(burst ignition)，这一点后面再详述。流峰值的大小，可以给灯提供恒定的Runup电流。而在灯的正常工作阶段，根据灯电压的变化，控制BUCK变换器输入电流的平均值，可以实现恒功率控制或者恒光色控制。在灯的EOL阶段，通过监控BUCK变换器的输出电压的变化范围，来识别灯的EOL状态并实施EOL保护。

虽然HID镇流器三级线路同灯之间的匹配最友善，但是该线路对电能要通过三级处理，所以线路效率比两极线路低;并且，三级线路需要较多的元器件，元器件的成本可能比两极线路高;再者，三级线路中，PCB面积大，不利于镇流器小型化的发展趋势。正是由于三级线路的这些不易弥补的缺点，两极线路才是今后主流的发展方向。

图2 HID电子镇流器三级线路、两级线路(FBCF、HBCF)原理图

在两级的FBCF线路中(图2中)，除了要实现低频换向的功能外，还要输出稳定的OCV电压(点火阶段)和限流(Runup阶段和正常工作阶段)等功能。FBCF的直流输入电压一直稳定在400V，在灯的点火阶段，通过调整高频桥臂开关的占空比，可以将灯电极两端的OCV电压调整到设定值;在Runup阶段和正常工作阶段，电感L2工作在临界电流模式，通过调整高频桥臂开关的Ton(每个开关周期内的通态时间)，可以控制L2电感电流的峰值，并进一步控制灯电流的大小。显然，FBCF线路兼具三级线路中的BUCK变换器和低频换向逆变桥的所有功能。在两级的HBCF线路中(图2下)，除了实现低频换向的功能外，还要实现限流(Runup阶段和正常工作阶段)功能。在Runup阶段和正常工作阶段，电感L2工作在临界电流模式，通过调整高频桥臂开关的Ton(通态时间)，可以控制L2电感电流的峰值，并进一步控制灯电流的大小。

相对于两级线路而言，在HID灯的各个工作阶段，三级线路镇流器自身的可靠性也比较高，因为在HID电子镇流器线路中，可靠性方面最大的“原理级隐患”来自于工作在高频开关状态的桥式结构。原因是这样的:如果桥臂开关管体内寄生二极管反向恢复时间长(如>150nS)，则上开关管(或下管)开通时刻下管(或上管)的体内寄生二极管可能还处在续流状态，上管(或下管)的开启，会在下管(或上管)的体内寄生二极管中引起剧烈的反向恢复，并进一步引起下管(或上管)的误导通，从而导致上下开关管直通而烧毁桥臂。虽然三阶线路也有桥式结构，但是桥臂开关工作于70Hz～400Hz的低频，基本避免了高频工作开关管体内寄生二极管反向恢复慢所导致的桥臂烧毁的问题。

而在标准的两极线路中，桥臂开关管工作在高频状态，此时镇流器的可靠性将成为一个突出的问题。为了降低两级线路在可靠性上的风险，HBCF线路有两种应用广泛的改进版本，如图3所示。改进版本1(图3左，Philips方案):将标准的半桥改变为双BUCK结构，引入外部快恢复二极管来给电感电流续流，完全消除了桥式结构MOS管直通的问题。改进版本2(图3右，Osram方案):在桥臂两个MOS管的漏极分别串入肖特基二极管，以便阻断MOS管体内寄生二极管的工作，再反并联快恢复二极管给电感电流续流，该方案也基本消除了桥臂直通的问题，但是要注意肖特基的温升。

图3 HBCF改进线路原理图(飞利浦版本和欧司朗版本)

实现HBCF电感电流临界工作模式(提高桥臂可靠性)，同时保证电感电流的峰值是可控的(以便控制灯电流大小并限制桥臂开关最大电流)，则在HBCF控制线路中必须具备两个基本功能，即电感电流峰值检测功能和电感电流过零检测功能，以便快速控制桥臂开关的开通和关断动作。在HBCF线路中，国际知名照明公司都有各自的专用芯片来实现电流峰值检测和电流过零检测的功能，譬如飞利浦公司的CCIC芯片，锐高公司的CM3493芯片等。国内虽然有许多HID电子镇流器生产企业，但是都没有一款拥有自主知识产权的控制芯片，所以国内HID镇流器的主线路绝大部分都是采用三级结构。少数几家国内小企业尝试仿造飞利浦公司的CCIC芯片，并且基于这个仿造芯片，可以制造出两极线路的镇流器。但是这种尝试难免会由于专利壁垒的限制，而在日后受到飞利浦公司的追杀。

4 HID电子镇流器同灯接口性能测试方法

可以通过一组测试试验来系统地评估HID镇流器对灯接口匹配性能的好坏，它们分别是:点火测试、频繁点灯流明维持率测试、长期工作时效测试、EOL风险测试。

(1) 点火测试

点火测试的目的是评估镇流器的点灯能力。在测镇流器(DUT)取极限偏差参数时，在规定时间内，最长灯线下，能否多次点亮不同寿命阶段的冷灯和热灯。测试中所用的HID灯是经过特殊处理的，电极都有不同程度的磨损。

(2) 频繁点灯流明维持率测试

频繁点灯流明测试的目的就是评估镇流器驱动HID灯时灯电极物质的溅射程度，也可以粗略预测该镇流器和灯配套使用后灯的寿命。通过比较DUT镇流器和基准镇流器对同一批次HID灯频繁点灯后流明测试结果的差异，就可以判断DUT镇流器的接口参数设置是否适合。

(3) 长期工作时效测试

长期工作时效测试的目的是综合评估DUT镇流器长时间驱动HID灯时灯电极物质的蒸发程度、显色指数的一致性和色温的稳定性。

(4) EOL风险测试

该测试的目的是评估镇流器和灯配套工作时的安全风险。根据镇流器产品规格书中的数据说明，将6个待测镇流器取极限偏差参数，在规定时间内按照一定周期多次驱动EOL灯，并测量在每个驱动周期中，EOL灯箍颈处的最高温度。测试标准要求决大部分温度点位于350℃之下，而且6个DUT镇流器都不能失效，否则测试失败。

5 结论

本文围绕两个核心概念——匹配性和可靠性，阐述了HID电子整流器和灯之间接口设计的基本原理，以及接口性能测试的基本方法。相信本文可以对国内同行有所帮助，同时也希望同行指出文中不足之处，以期改进。

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