1 HID 電光源概述

HID 照明系統(tǒng)由HID 電光源、驅動電源( 鎮(zhèn)流器) 和燈具三部分構成，其中核心是光源。鎮(zhèn)流器和燈具的設計方向總是圍繞如何讓光源達到最佳的照明效果來擴展的。目前，根據(jù)發(fā)光物質的差別，HID 電光源分三大類，即高壓汞燈(HPL)、高壓鈉燈(HPS) 和金鹵燈(MH) ，其中金鹵燈又分石英金鹵燈( QMH) 和陶瓷金鹵燈( CMH 或者CDM)兩種。

以前HPL 燈主要應用于戶外照明，但是由于它的光效較低，HPL 現(xiàn)在已逐漸被HPS 燈取代。雖然LED 路燈概念初步付諸了實踐，但是戶外照明中性價比最高的依然是傳統(tǒng)電感式鎮(zhèn)流器驅動的HPS燈。HPS 的初始光效可以達到100lm /W 以上，并且可以實現(xiàn)20% 的調光，非常適合于照明節(jié)能，這都是HPS 的主要優(yōu)點。但是HPS 的顯色指數(shù)( CRI)較小，只有20 左右，難看的黃光是HPS 燈主要的缺陷。同屬鈉燈系列的白鈉燈( SDW) 通過犧牲光效(50lm /W 附近) ，可以將CRI 大大提高到80 以上，在超市的肉類櫥窗里很有用武之地。

光效和顯色指數(shù)這兩個指標，在鈉燈系列電光源中是不易兼得的，但在金鹵燈中卻得到了很好的平衡，例如: 金鹵燈初始光效在80lm /W 之上，顯色指數(shù)在70 以上。同QMH 相比， 大批量生產(chǎn)的CDM 的初始色溫一致性好，長期工作后的色溫穩(wěn)定性好，CDM 放電管壁材料采用PCA，對鹵鹽的腐蝕性耐力較強，從而避免了QMH 放電管在某些狀態(tài)下爆炸的危險。同等功率的CDM 同QMH 相比( 如70W) ，顯色指數(shù)和光效都提高了10 多個點，預期壽命是QMH 的1. 5 倍左右。并且，可以被調光到50% 的CDM 燈也已經(jīng)問世。在不久的將來，光效可以和HPS 燈媲美、顯色性好、可調光的CDM 燈將成為戶外照明的新生力量。

HID 燈初始光效是指燈在連續(xù)工作100 小時之后所測得的光效，它的高低由燈自身特性決定，同鎮(zhèn)流器性能基本無關。但是，HID 燈長期工作的時效性—流明( 光效) 維持率和CRI 穩(wěn)定性，卻極大地受驅動鎮(zhèn)流器性能的影響。由于照明系統(tǒng)的核心是電光源，所以在保證安全和滿足成本控制等要求的前提下，最大限度地發(fā)揮燈的照明效果，是鎮(zhèn)流器優(yōu)化設計的基本準則。拋開鎮(zhèn)流器的市場因素不說，如果只從照明系統(tǒng)的性能角度出發(fā)，評估電子鎮(zhèn)流器質量優(yōu)劣的最重要指標就是燈—鎮(zhèn)流器接口性能( Lamp Driver Interaction or Interface-LDI) 的好壞。LDI 是一個綜合指標，首先它根據(jù)燈的工作特性，要求鎮(zhèn)流器有適合的參數(shù)匹配，以便給燈提供最佳的驅動效果; 其次，它要求在燈的不同工作階段和異常工作狀態(tài)下鎮(zhèn)流器都有很好的可靠性。HID 鎮(zhèn)流器和燈的匹配性及鎮(zhèn)流器自身的可靠性是本文討論的核心。

2 HID 燈和電子鎮(zhèn)流器間接口性能指標(LDI)

HID 燈的工作是一個復雜的氣體放電和原子發(fā)光的過程，HID 燈要被可靠點亮并長期穩(wěn)定高效地工作，必須對燈電壓、燈電流和燈功率的大小、形狀、頻率、諧波含量等電學參數(shù)提出規(guī)范化的要求，而HID 電子鎮(zhèn)流器線路拓撲不斷發(fā)展及控制方法不斷完善的目的也就是為了更好地達到這些規(guī)范化的要求。HID 燈的各個工作階段直接關聯(lián)HID 鎮(zhèn)流器的設計，它們分別是:

(1) 放電管的電流擊穿同鎮(zhèn)流器的點火尖峰電壓間的關系: 當鎮(zhèn)流器產(chǎn)生的點火尖峰電壓足夠大時( > 3kV) ，HID 放電管中的中性原子( 如汞原子) 開始被電離，正離子轟擊電極并產(chǎn)生大量電子，導致電子雪崩和自持放電，這就是放電管的電流擊穿階段，該階段的放電是輝光放電，要求鎮(zhèn)流器給放電管電極之間提供足夠高度和寬度的電壓尖峰。如果尖峰電壓峰值不夠大，或者尖峰電壓中累積有效脈寬不夠大，則放電管不易自持放電; 如果尖峰電壓峰值太大( 如> 5kV) ，則在HID 燈的熱點火時，在HID 外泡的兩個電極引線之間可能會發(fā)生拉弧打火現(xiàn)象。另外，基于安全考慮，鎮(zhèn)流器的點火過程應該是可控的，當點火時間超過30 分鐘時，點火線路必須停止工作。

(2) 放電管的電壓擊穿同鎮(zhèn)流器開路電壓(OCV) 間的關系: 在輝光放電發(fā)生后， 如果在放電管兩個電極之間維持足夠大的電壓，則電子雪崩程度會加劇，最終導致放電管電極兩端電壓從開路電壓( open-circuit voltage，OCV) 跳變到10V 左右，該過程被稱為輝光放電到弧光放電的轉移( GTA) ，這就是放電管的電壓擊穿階段，該階段要求鎮(zhèn)流器能夠在放電管兩個電極之間維持足夠大的OCV。如果OCV 不夠大， 則放電管的電壓擊穿不易實現(xiàn)，GTA 不順暢，很難過渡到穩(wěn)定的弧光放電階段，則輝光放電維持時間被拉長; 如果OCV 過大，則汞正離子對電極的轟擊太過劇烈，會引起電極物質的過渡濺射。輝光放電維持時間長，電極物質濺射嚴重，是HID 燈壽命縮短以及流明維持率驟減的主要原因，所以OCV 過小或者過大，都是不允許的。

(3) 放電管的Runup 過程同鎮(zhèn)流器的Runup 電流大小間的關系: HID 燈的Runup 過程就是放電管中汞齊和鹵鹽氣化，電極兩端電壓和燈功率逐步增大的過程，當燈功率達到滿功率時，Runup 階段完成。在CDM 燈的Runup 階段， 鎮(zhèn)流器最好能夠輸出大小恒定的Runup 電流，并且Runup 電流大小的設置應符合燈的規(guī)格要求。如果Runup 電流過小，則放電管鹵鹽不能氣化，燈會熄滅; 而如果Runup電流過大，則電極物質蒸發(fā)損耗太大，放電管管壁過早發(fā)黑，也會引起流明維持率驟減。

(4) 放電管中的聲共振、放電管的老化同鎮(zhèn)流器輸出電流波形間的關系: 金鹵燈能否穩(wěn)定長期工作，燈流明維持率的高低、使用壽命的長短，同鎮(zhèn)流器輸出到燈中的電流波形形狀關系很大。理論和實踐都證明，低頻方波電流是驅動金鹵燈的最佳方式，它能有效抑制金鹵燈放電管中的聲共振、延緩流明維持率的衰減速度、延長金鹵燈的使用壽命。對低頻方波電流形狀的要求，又可細化為以下指標:①電流頻率應該介于70Hz ～ 400Hz 之間，以克服頻閃并避開聲共振; ②電流換向速度要快，盡量保證換流在100uS 以內完成，以便減少換向過程中的電子復合和輝光放電; ③換流邊沿的電流過沖要小，電流峰值因數(shù)( CF) 小， 以便減弱電極物質的蒸發(fā); ④燈電流中包含的高頻紋波含量要盡量少，否則聲共振有被激發(fā)的危險。

(5) 放電管中光色穩(wěn)定性同鎮(zhèn)流器功率控制間的關系: 隨著HID 燈的老化( 鹵鹽成分變化和流失、電極物質的濺射和蒸發(fā)) ，燈電壓會不斷上升，而功率控制的目的就是保證燈功率按照設定的規(guī)律變化。HID 燈的功率控制，對于穩(wěn)定光色和延長燈管的使用壽命都是必須的。在金鹵燈中，如果燈功率過低，則光色偏綠; 若燈功率過高，雖然光色不變，但是會導致放電管管壁溫度和及其中的鹵鹽溫度升高，加速管壁的腐蝕和老化。金鹵燈(QMH 和CDM) 的功率控制要求比較簡單，那就是在燈電壓的整個正常工作范圍內( 如70V ～ 150V) ，燈功率基本維持不變。在大批量生產(chǎn)中，不同金鹵燈個體之間的功率存在偏差，一般來說，實際燈功率同額定燈功率之間有± 3% 到± 5% 的偏差是允許的。[!--empirenews.page--]

在白鈉燈( SDW) 中， 不同于金鹵燈的地方是，即便白鈉燈一直工作在初始額定功率上，但隨著燈電壓的上升，光色也會漂移，所以白鈉燈的燈功率不僅不能過低和過高，而且燈功率大小必須隨著燈壓的上升而不斷調整，以便維持光色的穩(wěn)定。

(6) 放電管壽終(End-of-life，EOL) 風險同鎮(zhèn)流器EOL 保護功能間的關系: 在金鹵燈中，氣體放電和發(fā)光是在石英或陶瓷內膽中發(fā)生的，但是由于老化或其他原因，內膽中的鹵鹽可能會泄漏到外泡之中。當外泡中鹵鹽濃度氣壓超過5mPar 時，外泡中也會發(fā)生氣體放電，并導致燈座溫度顯著上升和燈線絕緣層的快速老化和破損，從而帶來觸電等安全風險，這就是HID 燈的EOL 風險。正是由于HID燈在EOL 工作階段涉及到用戶的安全問題，IEC 標準(60598 ) 要求在HID 燈具中， 在HID 燈泡的EOL 工作狀態(tài)，燈座溫度不能超過180°，或者對應于HID 燈泡箍頸( Pinch) 部位的溫度不可以超過350°。為了達到這個標準，HID 鎮(zhèn)流器必須具有識別HID 燈泡EOL 特征的功能，并在EOL 工作狀態(tài)出現(xiàn)時，要盡快停止HID 燈的工作。

EOL 風險的嚴重程度主要同3 個因素有關，分別是: ①燈泡內膽容積同外泡容積的比值; ②燈泡內膽中鹵鹽填充濃度( 氣壓) ; ③外泡中放電類型。相比較而言，150W CMH 燈泡的EOL 風險最大。不同公司生產(chǎn)的150W CDM 燈， 燈泡內膽中填充的鹵鹽濃度可能不相同， 因而EOL 風險也各不相同。即便是同一個150W，工作在EOL 狀態(tài)的CDM 燈泡，它的EOL 風險大小還同外泡中的放電模式相關聯(lián)。EOL 燈泡中， 外泡中的放電分以下3 種: ①輝光放電模式; ②弧光放電模式; ③白熾燈模式，其中弧光放電模式和白熾燈模式的安全風險最大。

在知名國際品牌的CMH 燈中，試驗數(shù)據(jù)表明，150W CMH 燈中，GE 公司生產(chǎn)的燈泡EOL 風險較大; 而70W CMH 燈中， Philips 公司生產(chǎn)的燈泡EOL 風險較大。

圖1 給出了CDM 燈工作在EOL 階段的輝光放電狀態(tài)( 左) 和白熾燈狀態(tài)( 右) 的圖片。白熾燈狀態(tài)下，輸入到燈的電功率大部分耗散在焦耳熱的產(chǎn)生上( 而不是發(fā)光) ，從而燈腳( Pin) 和燈線溫升很大，燈線絕緣層容易被燙傷破損和過早老化，可能導致燈線金屬層同燈具發(fā)生短路和用戶被電擊的危險。

3 HID 電子鎮(zhèn)流器同燈接口設計的基本原理

LDI 具有雙重意義，它不僅要求HID 鎮(zhèn)流器給HID 燈提供良好的驅動，同時要求在HID 燈所有工作階段和可能的異常工作狀態(tài)下，HID 電子鎮(zhèn)流器都具有高度的可靠性來抵御失效。

通過上面的敘述，我們知道，要深入理解HID燈的性能要求和工作特性，將燈在不同工作階段所需要的驅動條件及對應的等效電學參數(shù)融匯到鎮(zhèn)流器的設計中，是HID 電子鎮(zhèn)流器設計的基本立足點和出發(fā)點。首先，為了驅動HID 燈，HID 電子鎮(zhèn)流器必須具備的基本外部特性是:

(1) 在燈的點火階段， 提供恒定的OCV 電壓和適當高度和足夠寬度的點火尖峰電壓，點火時序和點火維持時間是可控的;

(2) 在燈的Runup 階段，提供恒定的Runup 電流;

(3) 在燈的正常工作階段，提供恒定的輸出功率或者恒定光色控制。

(4)在燈的EOL工作階段，能夠識別EOL狀

電力電子線路中的“臨界電感電流模式”技術也被應用到HID電子整流器的線路設計之中，在臨界電感電流模式下，燈電流的大小控制就非常簡單，因為電感電流峰值的一半就等于燈電流，所以在燈的Runup階段，只要將電感電流的峰值控制在設定值，就可以實現(xiàn)恒電流Runup。另外，這個技術對于提鎮(zhèn)流器的可靠性，實現(xiàn)“零電壓開關”和改善電磁兼容性都直到重要作用。

從對HID燈的匹配性而言，三級結構的鎮(zhèn)流器是最友善的，并且在控制方法的實施難易程度上，利用三級結構的HID鎮(zhèn)流器來實現(xiàn)燈所要求的恒壓、恒流和恒功率(恒光色)是比較簡單的，其中BUCK變換器的控制是核心。在三級線路中(圖2上)，BOOST 變換器實現(xiàn)功率因數(shù)校正和恒定直流電壓輸出的兩大功能，BUCK變換器實現(xiàn)現(xiàn)穩(wěn)壓(點燈階段)和限流(Runup階段和正常工作階段)的兩大功能，而逆變橋實現(xiàn)低頻換向的功能。首先，在燈的點燈階段，控制BUCK變換器輸出電壓的大小，可以給燈提供恒定的OCV電壓。在燈的Runup 階段，控制工作于臨界模式的BUCK變換器電感電態(tài)，并采取適合的保護動作。

簡單的說，在HID燈不同的工作階段，電子鎮(zhèn)流器分別具有恒壓、恒流、恒功率的外部特性，為了使鎮(zhèn)流器具備這些輸出特性，同時為了順應電力電子產(chǎn)品發(fā)展的基本趨勢(高能效、高功率密度、小型化)，鎮(zhèn)流器內部線路必須采取適合的拓撲結構及控制邏輯。

目前市場上HID電子鎮(zhèn)流器的主電路拓撲三級結構和兩級結構兩類，而兩極拓撲又分全橋兩極(FBCF)和半橋兩極(HBCF)兩種，它們的原理圖在圖2給出。

在HID電子鎮(zhèn)流器中，基于安全原因，點火尖峰電壓發(fā)生線路的工作應該交由定時器來控制，并且通過調整與燈相串聯(lián)的升壓變壓器的匝比(如圖中的Lig元件)以及調整同該變壓器繞組相并聯(lián)的點火電容容值大小，就可以將點火尖峰的高度和寬度調整到適合的數(shù)值。當燈被點亮時，尖峰電壓發(fā)生線路的工作被中止;當超過一定時間后，如果燈仍然不能被點亮，則停止尖峰電壓發(fā)生線路的工作。為了降低HID燈的EOL風險，點火動作應該是間斷式的(burst ignition),這一點后面再詳述。

流峰值的大小，可以給燈提供恒定的Runup電流。而在燈的正常工作階段，根據(jù)燈電壓的變化，控制BUCK變換器輸入電流的平均值，可以實現(xiàn)恒功率控制或者恒光包控制。在燈的EOL階段，通過監(jiān)控BUCK變換器的輸出電壓的變化范圍，來識別燈的EOL狀態(tài)并EOL保護。

雖然HID鎮(zhèn)流器三級線路同燈之間的匹配最友善，但是該線路對電能要通過三級處理，所以線路效率比兩極線路低;并且，三級線路需要較多的元器件，元器件的成本可能比兩線路高;再者，三線線路中，PCB面積大，不利于鎮(zhèn)流器小型化的發(fā)展趨勢。正是由于三線線路的這些不易彌補的缺點，兩極線路才是今后主流的發(fā)展方向。

在兩級的FBCF線路中(圖2中)，除了要實現(xiàn)低頻換向的功能外，還要輸出穩(wěn)定的OCV電壓(點火階段)和限流(Rrunp階段和正常工作階段)等功能。FBCF的直流輸入電壓一直穩(wěn)定在400V，在燈的點火階段，通過調整高頻橋臂開關的占空比，可以將燈電極兩端的OCV電壓調整到設定值;在Runup階段和正常工作階段，電感L2工作在臨界電流模式，通過調整高頻橋臂開關的Ton (每個開關周期內的通態(tài)時間)，可以控制L2，電感電流的峰值，并進一步控制燈電流的大小。顯然，F(xiàn)BCF純種兼具三級線路中的BUCK變換器和低頻換向逆變橋的所有功能。在兩級的HBCF線路中(圖2下)，除了實現(xiàn)低頻換向的功能外，還要實現(xiàn)限流(Runup階段和正常工作階段)功能。在Runup 階段和正常工作階段，電感L2工作在臨界電流模式，通過調整高頻橋臂開關的Ton ( 通態(tài)時間) ，可以控制L2電感電流的峰值，并進一步控制燈電流的大小。[!--empirenews.page--]

相對于兩級線路而言，在HID 燈的各個工作階段，三級線路鎮(zhèn)流器自身的可靠性也比較高，因為在HID 電子鎮(zhèn)流器線路中，可靠性方面最大的“原理級隱患”來自于工作在高頻開關狀態(tài)的橋式結構。原因是這樣的: 如果橋臂開關管體內寄生二極管反向恢復時間長( 如> 150nS) ，則上開關管( 或下管) 開通時刻下管( 或上管) 的體內寄生極管可能還處在續(xù)流狀態(tài)，上管( 或下管) 的開啟，會在下管( 或上管) 的體內寄生二極管中引起劇烈的反向恢復， 并進一步引起下管( 或上管) 的誤導通，從而導致上下開關管直通而燒毀橋臂。雖然三階線路也有橋式結構，但是橋臂開關工作于70Hz ～400Hz 的低頻，基本避免了高頻工作開關管體內寄生二極管反向恢復慢所導致的橋臂燒毀的問題。

而在標準的兩極線路中，橋臂開關管工作在高頻狀態(tài)，此時鎮(zhèn)流器的可靠性將成為一個突出的問題。為了降低兩級線路在可靠性上的風險，HBCF線路有兩種應用廣泛的改進版本，如圖3 所示。改進版本1 ( 圖3 左，Philips 方案) : 將標準的半橋改變?yōu)殡pBUCK 結構，引入外部快恢復二極管來給電感電流續(xù)流，完全消除了橋式結構MOS 管直通的問題。改進版本2 ( 圖3 右，Osram 方案) : 在橋臂兩個MOS 管的漏極分別串入肖特基二極管，以便阻斷MOS 管體內寄生二極管的工作，再反并聯(lián)快恢復二極管給電感電流續(xù)流，該方案也基本消除了橋臂直通的問題，但是要注意肖特基的溫升。

實現(xiàn)HBCF 電感電流臨界工作模式( 提高橋臂可靠性) ，同時保證電感電流的峰值是可控的( 以便控制燈電流大小并限制橋臂開關最大電流) ， 則在HBCF 控制線路中必須具備兩個基本功能，即電感電流峰值檢測功能和電感電流過零檢測功能，以便快速控制橋臂開關的開通和關斷動作。在HBCF線路中，國際知名照明公司都有各自的專用芯片來實現(xiàn)電流峰值檢測和電流過零檢測的功能，譬如飛利浦公司的CCIC 芯片， 銳高公司的CM3493 芯片等。國內雖然有許多HID 電子鎮(zhèn)流器生產(chǎn)企業(yè)，但是都沒有一款擁有自主知識產(chǎn)權的控制芯片，所以國內HID 鎮(zhèn)流器的主線路絕大部分都是采用三級結構。少數(shù)幾家國內小企業(yè)嘗試仿造飛利浦公司的CCIC 芯片，并且基于這個仿造芯片，可以制造出兩極線路的鎮(zhèn)流器。但是這種嘗試難免會由于專利壁壘的限制，而在日后受到飛利浦公司的追殺。

4 HID 電子鎮(zhèn)流器同燈接口性能測試方法

可以通過一組測試試驗來系統(tǒng)地評估HID 鎮(zhèn)流器對燈接口匹配性能的好壞，它們分別是: 點火測試、頻繁點燈流明維持率測試、長期工作時效測試、EOL 風險測試。

(1) 點火測試

點火測試的目的是評估鎮(zhèn)流器的點燈能力。在測鎮(zhèn)流器(DUT) 取極限偏差參數(shù)時，在規(guī)定時間內，最長燈線下，能否多次點亮不同壽命階段的冷燈和熱燈。測試中所用的HID 燈是經(jīng)過特殊處理的，電極都有不同程度的磨損。

(2) 頻繁點燈流明維持率測試

頻繁點燈流明測試的目的就是評估鎮(zhèn)流器驅動HID 燈時燈電極物質的濺射程度，也可以粗略預測該鎮(zhèn)流器和燈配套使用后燈的壽命。通過比較DUT鎮(zhèn)流器和基準鎮(zhèn)流器對同一批次HID 燈頻繁點燈后流明測試結果的差異，就可以判斷DUT 鎮(zhèn)流器的接口參數(shù)設置是否適合。

(3) 長期工作時效測試

長期工作時效測試的目的是綜合評估DUT 鎮(zhèn)流器長時間驅動HID 燈時燈電極物質的蒸發(fā)程度、顯色指數(shù)的一致性和色溫的穩(wěn)定性。

(4) EOL 風險測試

該測試的目的是評估鎮(zhèn)流器和燈配套工作時的安全風險。根據(jù)鎮(zhèn)流器產(chǎn)品規(guī)格書中的數(shù)據(jù)說明，將6 個待測鎮(zhèn)流器取極限偏差參數(shù)，在規(guī)定時間內按照一定周期多次驅動EOL 燈，并測量在每個驅動周期中，EOL 燈箍頸處的最高溫度。測試標準要求決大部分溫度點位于350℃ 之下，而且6 個DUT 鎮(zhèn)流器都不能失效，否則測試失敗。

5 結論

本文圍繞兩個核心概念———匹配性和可靠性，闡述了HID 電子整流器和燈之間接口設計的基本原理，以及接口性能測試的基本方法。相信本文可以對國內同行有所幫助，同時也希望同行指出文中不足之處，以期改進。