采用IRS2573D的250W金卤灯电子镇流器电路
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3 250 W 金 卤 灯 电 子 镇 流 器 的 技 术要求
使用时金卤灯需要一个高达 3 ～ 4 kV（ 典型值） 的点火电压（ 如果金卤灯处于热点火工作状态则点火 电压要大于 20 kV） ，而金卤灯的工作需经历预热工作 期间的限电流、正常工作时的恒功率输出控制等控制 环节。金卤灯工作时需严格控制灯功率，以确保每只
图 3 Buck 变换级和全桥变换级的电路工作原理框图
这里采用了一片 ASIC 控制集成电路 IRS2573D， 对金卤灯几个工作模式的控制，使金卤灯正常工作。 用它完成对 Buck 变换级和全桥输出级的控制，完成 IRS2573D 的工作状态图如图 4 所示。 ·56·
2011 年 9 月
灯与照明
2011 年 9 月
櫠櫠櫠櫠櫠毝
照明电器
灯与照明
第 35 卷第 3 期
櫠櫠毝
櫠櫠毝
櫠櫠櫠櫠櫠毝
采用 IRS2573D 的 250 W 金卤灯电子镇流器电路
路秋生
（ 北京信wenku.baidu.com职业技术学院，北京 100050） 摘 要： 介绍了采用 IRS2573D 的 250 W 金卤灯电子镇流器电路工作原理与应用。IRS2573D 是 IR 公 司新近推出的一款 HID 灯电子镇流器用控制集成电路，具有集成度高和控制功能强的特点，是一款专 用 ASIC 集成电路，可用于不同输出功率等级 HID 灯电子镇流器的应用场合。利用 IRS2573D 构成的 HID 灯电子镇流器具有外围电路简单，工作可靠等一系列优点。 关键词： 金卤灯； 电子镇流器； 声共振； 灯功率控制
由连续导通工作模式（ CCM） 下的关断定时输入信号 （ TOFF 引脚） 决定。
IRS2573D 内部还集成了 600 V 全桥高低端驱动 电路，全桥电路的工作频率由接至外部定时引脚（ CT 引脚） 的元器件参数决定，灯电流和灯电压的取样信 号（ VSENSE 和 ISENSE 引脚） 相乘后得到的信号可以反映 灯功率的情况，通过点火定时输出信号（ IGN 引脚） 驱 动外接点火 MOSFET 管的导通、截止完成灯的点火控 制（ 如图 3 所示） 。点火电路由 MOSFET 管（ MIGN） 、 双向二极管（ DIGN） 、电容（ CIGN） 、电阻（ RIGN） 和输 出升压点火变压器（ TIGN） 组成，点火定时通过外接 （ TIGN 引脚） 元器件的参数来决定点火电路的导通、 截止时间。同时，在 IRS2573D 内部也集成了可编程 故障定时器（ TCLK 引脚） ，用以在各种故障情况下设 定可用于关断 IRS2573D 的故障持续时间。这些故障 例如灯点火失败、灯预热失败、灯寿命终止、灯电弧不 稳定、灯输出电路开路或短路等。IRS2573D 含有 HID 灯电子镇流器电路所需的有关控制功能。
4 250 W 金 卤 灯 电 子 镇 流 器 的 电
路工作原理
金卤灯的典型电路工作原理框图如图 2 所示，图 中的 EMI 滤波器以阻断电子镇流器工作时产生的噪 声对电网的干扰和电网高频干扰信号对电子镇流器 正常工作的干扰。全波桥式整流电路用以将交流输 入市电整流输出为直流电，升电压输出有源功率因数 校正电路用于实现功率因数校正，并稳定直流输出母 线电压，降压输出 Buck 变换器用于控制金卤灯工作 电流，全桥功 率 输 出 级 为 金 卤 灯 负 载 提 供 驱 动 功 率， 完成金卤灯的点火，并使金卤灯正常工作。
保护控制功能。在实用中，HID 灯电子镇流器的设计 和控制较荧光灯电子镇流器的设计要复杂得多。
表 1 表示目前市场上常用电光源的市场年复合 增长率（ CAGR） 对比表，可见 HID 灯在家居、商用和 工业领域有很好的应用空间，而白炽灯和卤钨灯的应 用前景不被看好。
表 1 2007 ～ 2015 年灯产品的市场年复合增长率（ CAGR）
·55·
2011 年 9 月
下为金卤灯提供更大的工作电流。
灯与照明
第 35 卷第 3 期
图 2 金卤灯电子镇流器的典型工作原理框图
假定 Buck 变换器的 400 V 输入直流电压保持恒
定（ 即升电压输出有源功率因数校正电路的 400 V 输
出电压保持恒定） ，取 Buck 变换器的正常工作频率为
在图 2 所示的电路中的 Buck 变换器用以控制金 卤灯工作电流和灯功率，同时 Buck 变换器也起将升 电压输出有源功率因数校正电路输出的直流高电压 变换为适合于金卤灯工作的下级全桥变换器直流供 电电压，为下级全桥输出级供电。Buck 变换器工作于 电流连续导通工作模式（ CCM） 或电流临界导通工作 模式（ CRM） ，这取决于灯负载的工作状态。
70 kHz，则 Buck 电感的参数可以利用下式计算：
( ) LBUCK
=
1
2 × f × I灯
1 － V灯 V总线
× V灯
由 V总线 = 400 V，V灯 = 100 V，f = 70 kHz，I灯 = 2． 5 A，有
( ) LBUCK
=1 2 × f × I灯
1 － V灯 V总线
× V灯
( ) = 2
（ 4） 电弧放电阶段： 进入电弧放电阶段后，灯电极 之间的电弧趋于稳定，灯进入稳定工作状态，HID 的 灯电流、灯电压和灯功率工作特性如图 1 所示。
图 1 HID 灯点火、预热和工作模式下的灯电压、 灯电流和灯功率工作特性
通过电子镇流器的控制作用，可以满足 HID 灯对 预热、启动和正常工作的有关技术要求。
HID
31． 5% 12． 8% 0． 0% 1． 0%
LED
26． 9% 35． 5% 84． 2% 15． 5%
收稿日期： 2011-07-11 作者简介： 路秋生（ 1956-） ，工学硕士，教授，主要从事电子技术、电力电子技术的教学、科研工作。
·54·
2011 年 9 月
灯与照明
第 35 卷第 3 期
×
70
1 000
× 2． 5
1
－
100 400
× 100
= 214 μH230 μH
通过全桥变换电路为金卤灯提供所需的灯电流
和灯电压，全桥变换电路的典型工作频率为 200 Hz， 脉冲占空比为 50% 。在图 3 所示的点火控制电路中 的双向触发二极管 DIGN 用以产生金卤灯点火所需的 4 kV 点火脉冲电压，通过 MIGN 的导通来触发点火电 路的工作，RC 回路的放电时间常数由电阻 RIGN 和电 容 CIGN 决定。当双向触发二极管 DIGN 两端的电压 达到它的触发阈值电压 VDIAC 时，双向触发二极管 DIGN 击穿，在点火脉冲变压器 TIGN 的初级绕组会产 生一个点火脉冲电压，从而在点火脉冲变压器 TIGN 的次级升电压绕组产生金卤灯点火所需的 4 kV 点火 脉冲电压。
第 35 卷第 3 期
图 4 IRS2573D 的工作状态图
在 IRS2573D 内部含有 Buck 变换器控制、全桥变 换器控制、灯 电 压 和 灯 电 流 检 测、灯 功 率 和 灯 电 流 反 馈控制环路、Buck 变换级（ BUCK 引脚） 的 600 V 高端 栅极驱动输出电路，并具有逐周期过电流保护控制功 能（ CS 引脚） ，Buck 开关的导通时间由灯功率控制环 路（ PCOMP 引脚） 或灯电流限制环路 （ ICOMP 引脚） 控制，Buck 开关的关断时间在临界导通工作模式下由 电感电流过零检测输入（ ZX 引脚） 控制信号控制，或
金卤灯发光颜色和发光亮度的一致性。并且，金卤灯 的驱动电源为低频交流电压（ 典型低频交流驱动电压 工作频率不大于 200 Hz） ，以避免金卤灯工作时的汞 迁移和避免产生声共振的问题，在声共振的情况下会 导致金卤灯损坏。
对 250 W 金 卤 灯 正 常 工 作 时 的 主 要 技 术 要 求 如下：
1 HID 灯 电 子 镇 流 器 与 有 关 照 明
今天在许多室外照明应用场合采用 HID，HID 灯 用电子镇流器需具备点火、预热、恒功率控制、功率因
市场
数校正和针对灯负载与电子镇流器异常工作状态的
常用 HID 灯有金卤灯、汞灯和钠灯，它们具有工 作效率高和输出功率大的优点，金卤灯的发光效率大 于 100 lm / W，工作寿命可达 20 000 h。在金卤灯的应 用场合，金卤 灯 内 部 的 工 作 气 压 高，两 个 放 电 电 极 之 间的间距小，工作时在两个放电极间距之间直接产生 可见光。
（ 2） 辉光放电： 在辉光放电期间 HID 灯电压迅速 下降，而 HID 灯电流迅速上升，辉光放电阶段历时时 间非常短，此时 HID 灯发出不稳定的微光。
（ 3） 辉光放电转为电弧放电： 辉光放电转为电弧 放电期间是 HID 灯的主要温度加热阶段，在此阶段 HID 灯电压小于额定工作电压，HID 灯电流大于额定 工作电流，随着 HID 灯工作温度的上升，灯电压逐渐 增加，而灯电流将逐渐减小。最终，HID 灯电压达到 它的正常工作电压（ 典型值为 100 V 左右） ，灯功率达 到它的正常值，这个阶段为一短暂过渡阶段。
应用
家居 商用和工业 街灯和标志照明 信号和辐射照明
白炽灯 － 25． 9% － 41． 2% － 12． 4% － 20． 7%
卤钨灯 － 10． 2% － 35． 5% － 27． 2% － 8． 1%
CFL
9． 5% 7． 6% 10． 4% 17． 6%
管型荧光灯 2． 5% 0． 8%
－ 1． 3% 6． 5%
Using IRS2573D’s 250 W Metal Halide Lamp Ballast
Lu Qiusheng
（ Beijing Information Technology College，Beijing 100050）
Abstract： This paper mainly introduced using IRS2573D’s 250 W metal halide lamp ballast’s working function and application，IRS2573D is a new IC produced by IR used for HID ballast． IRS2573D is an ASIC IC， IRS2573D has working function high and can be used in different power level HID ballast circuit． The HID ballast using IRS2573D can make the ballast’s circuit simple and working reliable． Keywords： metal halide lamp； ballast； acoustic resonance； lamp power control
图 3 表示 Buck 变换级和全桥变换级的电路工作 原理框图，在 金 卤 灯 的 预 热 期 间，一 旦 完 成 了 金 卤 灯 的点火，金卤 灯 的 灯 电 压 很 低，但 是 金 卤 灯 的 工 作 电 流很大，通过反馈控制回路控制 Buck 变换器的导通 时间，从而完 成 对 金 卤 灯 工 作 电 流 的 控 制，在 金 卤 灯 稳定工作期间，通过灯功率反馈回路的控制作用控制 Buck 变换器的导通时间（ 如图 3 所示乘法器的灯功 率输出信号） ，从而完成对金卤灯的灯功率控制。在 金卤灯的预热工作期间，Buck 变换器的电流连续导通 工作模式（ CCM） 可以允许在 Buck 电感不饱和的情况
（ 1） 正常工作时的输出功率： 250 W； （ 2） 正常工作灯电压： 100 Vrms； （ 3） 正常工作灯电流： 2． 5 Arms； （ 4） 预热时间： 不低于 2． 0 s； （ 5） 灯点火电压： 4 000 Vpk。 下面介绍采用 IRS2573D 的金卤灯用电子镇流器 有关技术要求和控制方法，并给出了有关电路工作原 理图。
2 HID 灯的工作过程
HID 灯主要有四个工作阶段，分别是击穿、辉光 放电、辉光放电转为电弧放电和电弧放电。
（ 1） 击穿： 在 HID 灯点火之前，HID 灯呈开路工作 状态。当外加电压大于 HID 灯的击穿电压时，HID 灯 内的 离 子 产 生 雪 崩 现 象，内 部 气 体 发 生 电 离，此 时 HID 灯电压迅速下降，但是 HID 灯电压仍大于额定工 作电压，灯内开始有放电电流产生。
使用时金卤灯需要一个高达 3 ～ 4 kV（ 典型值） 的点火电压（ 如果金卤灯处于热点火工作状态则点火 电压要大于 20 kV） ，而金卤灯的工作需经历预热工作 期间的限电流、正常工作时的恒功率输出控制等控制 环节。金卤灯工作时需严格控制灯功率，以确保每只
图 3 Buck 变换级和全桥变换级的电路工作原理框图
这里采用了一片 ASIC 控制集成电路 IRS2573D， 对金卤灯几个工作模式的控制，使金卤灯正常工作。 用它完成对 Buck 变换级和全桥输出级的控制，完成 IRS2573D 的工作状态图如图 4 所示。 ·56·
2011 年 9 月
灯与照明
2011 年 9 月
櫠櫠櫠櫠櫠毝
照明电器
灯与照明
第 35 卷第 3 期
櫠櫠毝
櫠櫠毝
櫠櫠櫠櫠櫠毝
采用 IRS2573D 的 250 W 金卤灯电子镇流器电路
路秋生
（ 北京信wenku.baidu.com职业技术学院，北京 100050） 摘 要： 介绍了采用 IRS2573D 的 250 W 金卤灯电子镇流器电路工作原理与应用。IRS2573D 是 IR 公 司新近推出的一款 HID 灯电子镇流器用控制集成电路，具有集成度高和控制功能强的特点，是一款专 用 ASIC 集成电路，可用于不同输出功率等级 HID 灯电子镇流器的应用场合。利用 IRS2573D 构成的 HID 灯电子镇流器具有外围电路简单，工作可靠等一系列优点。 关键词： 金卤灯； 电子镇流器； 声共振； 灯功率控制
由连续导通工作模式（ CCM） 下的关断定时输入信号 （ TOFF 引脚） 决定。
IRS2573D 内部还集成了 600 V 全桥高低端驱动 电路，全桥电路的工作频率由接至外部定时引脚（ CT 引脚） 的元器件参数决定，灯电流和灯电压的取样信 号（ VSENSE 和 ISENSE 引脚） 相乘后得到的信号可以反映 灯功率的情况，通过点火定时输出信号（ IGN 引脚） 驱 动外接点火 MOSFET 管的导通、截止完成灯的点火控 制（ 如图 3 所示） 。点火电路由 MOSFET 管（ MIGN） 、 双向二极管（ DIGN） 、电容（ CIGN） 、电阻（ RIGN） 和输 出升压点火变压器（ TIGN） 组成，点火定时通过外接 （ TIGN 引脚） 元器件的参数来决定点火电路的导通、 截止时间。同时，在 IRS2573D 内部也集成了可编程 故障定时器（ TCLK 引脚） ，用以在各种故障情况下设 定可用于关断 IRS2573D 的故障持续时间。这些故障 例如灯点火失败、灯预热失败、灯寿命终止、灯电弧不 稳定、灯输出电路开路或短路等。IRS2573D 含有 HID 灯电子镇流器电路所需的有关控制功能。
4 250 W 金 卤 灯 电 子 镇 流 器 的 电
路工作原理
金卤灯的典型电路工作原理框图如图 2 所示，图 中的 EMI 滤波器以阻断电子镇流器工作时产生的噪 声对电网的干扰和电网高频干扰信号对电子镇流器 正常工作的干扰。全波桥式整流电路用以将交流输 入市电整流输出为直流电，升电压输出有源功率因数 校正电路用于实现功率因数校正，并稳定直流输出母 线电压，降压输出 Buck 变换器用于控制金卤灯工作 电流，全桥功 率 输 出 级 为 金 卤 灯 负 载 提 供 驱 动 功 率， 完成金卤灯的点火，并使金卤灯正常工作。
保护控制功能。在实用中，HID 灯电子镇流器的设计 和控制较荧光灯电子镇流器的设计要复杂得多。
表 1 表示目前市场上常用电光源的市场年复合 增长率（ CAGR） 对比表，可见 HID 灯在家居、商用和 工业领域有很好的应用空间，而白炽灯和卤钨灯的应 用前景不被看好。
表 1 2007 ～ 2015 年灯产品的市场年复合增长率（ CAGR）
·55·
2011 年 9 月
下为金卤灯提供更大的工作电流。
灯与照明
第 35 卷第 3 期
图 2 金卤灯电子镇流器的典型工作原理框图
假定 Buck 变换器的 400 V 输入直流电压保持恒
定（ 即升电压输出有源功率因数校正电路的 400 V 输
出电压保持恒定） ，取 Buck 变换器的正常工作频率为
在图 2 所示的电路中的 Buck 变换器用以控制金 卤灯工作电流和灯功率，同时 Buck 变换器也起将升 电压输出有源功率因数校正电路输出的直流高电压 变换为适合于金卤灯工作的下级全桥变换器直流供 电电压，为下级全桥输出级供电。Buck 变换器工作于 电流连续导通工作模式（ CCM） 或电流临界导通工作 模式（ CRM） ，这取决于灯负载的工作状态。
70 kHz，则 Buck 电感的参数可以利用下式计算：
( ) LBUCK
=
1
2 × f × I灯
1 － V灯 V总线
× V灯
由 V总线 = 400 V，V灯 = 100 V，f = 70 kHz，I灯 = 2． 5 A，有
( ) LBUCK
=1 2 × f × I灯
1 － V灯 V总线
× V灯
( ) = 2
（ 4） 电弧放电阶段： 进入电弧放电阶段后，灯电极 之间的电弧趋于稳定，灯进入稳定工作状态，HID 的 灯电流、灯电压和灯功率工作特性如图 1 所示。
图 1 HID 灯点火、预热和工作模式下的灯电压、 灯电流和灯功率工作特性
通过电子镇流器的控制作用，可以满足 HID 灯对 预热、启动和正常工作的有关技术要求。
HID
31． 5% 12． 8% 0． 0% 1． 0%
LED
26． 9% 35． 5% 84． 2% 15． 5%
收稿日期： 2011-07-11 作者简介： 路秋生（ 1956-） ，工学硕士，教授，主要从事电子技术、电力电子技术的教学、科研工作。
·54·
2011 年 9 月
灯与照明
第 35 卷第 3 期
×
70
1 000
× 2． 5
1
－
100 400
× 100
= 214 μH230 μH
通过全桥变换电路为金卤灯提供所需的灯电流
和灯电压，全桥变换电路的典型工作频率为 200 Hz， 脉冲占空比为 50% 。在图 3 所示的点火控制电路中 的双向触发二极管 DIGN 用以产生金卤灯点火所需的 4 kV 点火脉冲电压，通过 MIGN 的导通来触发点火电 路的工作，RC 回路的放电时间常数由电阻 RIGN 和电 容 CIGN 决定。当双向触发二极管 DIGN 两端的电压 达到它的触发阈值电压 VDIAC 时，双向触发二极管 DIGN 击穿，在点火脉冲变压器 TIGN 的初级绕组会产 生一个点火脉冲电压，从而在点火脉冲变压器 TIGN 的次级升电压绕组产生金卤灯点火所需的 4 kV 点火 脉冲电压。
第 35 卷第 3 期
图 4 IRS2573D 的工作状态图
在 IRS2573D 内部含有 Buck 变换器控制、全桥变 换器控制、灯 电 压 和 灯 电 流 检 测、灯 功 率 和 灯 电 流 反 馈控制环路、Buck 变换级（ BUCK 引脚） 的 600 V 高端 栅极驱动输出电路，并具有逐周期过电流保护控制功 能（ CS 引脚） ，Buck 开关的导通时间由灯功率控制环 路（ PCOMP 引脚） 或灯电流限制环路 （ ICOMP 引脚） 控制，Buck 开关的关断时间在临界导通工作模式下由 电感电流过零检测输入（ ZX 引脚） 控制信号控制，或
金卤灯发光颜色和发光亮度的一致性。并且，金卤灯 的驱动电源为低频交流电压（ 典型低频交流驱动电压 工作频率不大于 200 Hz） ，以避免金卤灯工作时的汞 迁移和避免产生声共振的问题，在声共振的情况下会 导致金卤灯损坏。
对 250 W 金 卤 灯 正 常 工 作 时 的 主 要 技 术 要 求 如下：
1 HID 灯 电 子 镇 流 器 与 有 关 照 明
今天在许多室外照明应用场合采用 HID，HID 灯 用电子镇流器需具备点火、预热、恒功率控制、功率因
市场
数校正和针对灯负载与电子镇流器异常工作状态的
常用 HID 灯有金卤灯、汞灯和钠灯，它们具有工 作效率高和输出功率大的优点，金卤灯的发光效率大 于 100 lm / W，工作寿命可达 20 000 h。在金卤灯的应 用场合，金卤 灯 内 部 的 工 作 气 压 高，两 个 放 电 电 极 之 间的间距小，工作时在两个放电极间距之间直接产生 可见光。
（ 2） 辉光放电： 在辉光放电期间 HID 灯电压迅速 下降，而 HID 灯电流迅速上升，辉光放电阶段历时时 间非常短，此时 HID 灯发出不稳定的微光。
（ 3） 辉光放电转为电弧放电： 辉光放电转为电弧 放电期间是 HID 灯的主要温度加热阶段，在此阶段 HID 灯电压小于额定工作电压，HID 灯电流大于额定 工作电流，随着 HID 灯工作温度的上升，灯电压逐渐 增加，而灯电流将逐渐减小。最终，HID 灯电压达到 它的正常工作电压（ 典型值为 100 V 左右） ，灯功率达 到它的正常值，这个阶段为一短暂过渡阶段。
应用
家居 商用和工业 街灯和标志照明 信号和辐射照明
白炽灯 － 25． 9% － 41． 2% － 12． 4% － 20． 7%
卤钨灯 － 10． 2% － 35． 5% － 27． 2% － 8． 1%
CFL
9． 5% 7． 6% 10． 4% 17． 6%
管型荧光灯 2． 5% 0． 8%
－ 1． 3% 6． 5%
Using IRS2573D’s 250 W Metal Halide Lamp Ballast
Lu Qiusheng
（ Beijing Information Technology College，Beijing 100050）
Abstract： This paper mainly introduced using IRS2573D’s 250 W metal halide lamp ballast’s working function and application，IRS2573D is a new IC produced by IR used for HID ballast． IRS2573D is an ASIC IC， IRS2573D has working function high and can be used in different power level HID ballast circuit． The HID ballast using IRS2573D can make the ballast’s circuit simple and working reliable． Keywords： metal halide lamp； ballast； acoustic resonance； lamp power control
图 3 表示 Buck 变换级和全桥变换级的电路工作 原理框图，在 金 卤 灯 的 预 热 期 间，一 旦 完 成 了 金 卤 灯 的点火，金卤 灯 的 灯 电 压 很 低，但 是 金 卤 灯 的 工 作 电 流很大，通过反馈控制回路控制 Buck 变换器的导通 时间，从而完 成 对 金 卤 灯 工 作 电 流 的 控 制，在 金 卤 灯 稳定工作期间，通过灯功率反馈回路的控制作用控制 Buck 变换器的导通时间（ 如图 3 所示乘法器的灯功 率输出信号） ，从而完成对金卤灯的灯功率控制。在 金卤灯的预热工作期间，Buck 变换器的电流连续导通 工作模式（ CCM） 可以允许在 Buck 电感不饱和的情况
（ 1） 正常工作时的输出功率： 250 W； （ 2） 正常工作灯电压： 100 Vrms； （ 3） 正常工作灯电流： 2． 5 Arms； （ 4） 预热时间： 不低于 2． 0 s； （ 5） 灯点火电压： 4 000 Vpk。 下面介绍采用 IRS2573D 的金卤灯用电子镇流器 有关技术要求和控制方法，并给出了有关电路工作原 理图。
2 HID 灯的工作过程
HID 灯主要有四个工作阶段，分别是击穿、辉光 放电、辉光放电转为电弧放电和电弧放电。
（ 1） 击穿： 在 HID 灯点火之前，HID 灯呈开路工作 状态。当外加电压大于 HID 灯的击穿电压时，HID 灯 内的 离 子 产 生 雪 崩 现 象，内 部 气 体 发 生 电 离，此 时 HID 灯电压迅速下降，但是 HID 灯电压仍大于额定工 作电压，灯内开始有放电电流产生。