- 新型脉冲氙灯起辉预燃电源的研制

　　3.3 输出滤波器

　　变压器副端整流桥的最高电压为1000V。二极管耐压应大于1000V，选择36MB160A。整流电路中的电容一般采用电解电容，起到平滑滤波，减少直流电压中的交流成分。如果选择的滤波电容太小，滤波后的直流电压脉动会较大，为了得到所要求的输出电压，需要较大的占空比调节范围和过高的闭环增益，滤波后的直流电压最小值也比较小，要求高频变压器原副边匝比变大，并使开关管中的电流增加，输出整流二极管的反向电压增加；如果选择的滤波电容太大，充电电流脉冲宽度变窄，幅值增大，导致EMI增加。由于高频变压器的输出电压纹波频率较高，可以选择较小的滤波电容值。电阻R3和电容C3串联构成吸收电路，电感L1和电容C4起滤波作用。经计算，R3=4.7kΩ/2W，C3 =1000pF/3kV，C4=0.01μF/3kV，L1 =2mH。

　　3.4 高压起辉电路

　　脉冲氙灯通过高压起辉电路提供的高压击穿气体，使氙灯内气体击穿。常闭触点继电器S闭合时，稳压管D10被短路，电容C6充电至600V，充电完毕后继电器S断开，稳压管D10给电容C5 充电，直至双向触发管D11导通，从而可控硅VT1导通，电容C6和耦合电感L3发生串联谐振，使耦合电感L4两端产生高的起辉电压，脉冲氙灯内气体被击穿。

　　D10的稳压值为50V。双向触发二极管D11的触发电压为35V。电阻R7=510Ω和R8=4.7kΩ串联分压。R5起分压作用。电阻R9限制电容C6的充电电流。C6的耐压值应大于1kV，取C6=1μF/1200V。电阻R6=3.6kΩ、R10=22MΩ为电容的放电电阻。L2为限流电感，取值1μH。L3=48μH，L4=6.5mH。二极管D12、D13提供谐振回路。

　　3.5 控制电路设计

　　控制芯片UC3825的集成度很高，电路设计主要针对外围电路参数进行。外围电路包括电压误差比较补偿网络、振荡输入、限流保护、输出尖峰电压吸收电路。UC3825采用峰值电流控制模式，电压误差反馈作为电流峰值的给定，与采样电流进行比较，生成PWM驱动信号。

　　控制电路如图4所示。此电路按照最大输出占空比设计，因此，芯片的同相输入端2通过限流电阻R11连接参考电压输出引脚16，反相输入端1则连接地。引脚5的时基电阻R14和引脚6的时基电容C12决定输出信号的频率f和最大占空比DMAX。输出引脚11和14分别输出有死区时间互补的PWM驱动信号。限流电阻R17=R18=100Ω，电阻R19=1kΩ，稳压二极管D18为18V，构成尖峰电压吸收电路。

图4 控制电路

　　(1) 振荡参数选择

　　UC3825的振荡器是锯齿波形，由RT管脚连接的电阻值和CT管脚连接的电容值确定的电流大小决定输出锯齿波的上升沿时间。锯齿波的下降沿时间决定输出死区时间[7]。最大输出占空比DMAX由R14的值确定，根据PWM的输出频率f=50kHz和最大占空比DMAX=0.92来计算C12的值。由公式计算得：

 

　　(2) 限流保护设计

　　限流保护信号采样于主回路功率开关器件Q1、Q2上的瞬时电流，稳压二极管D20为3.6V，采样电阻R21=0.5Ω/2W上的电压对电容C16和C17充电。当充电电压大于内部限流电压1V时，芯片UC3825降低PWM脉冲的占空比限制主回路的电流峰值；当充电电压大于内部保护电压1.2V时，芯片UC3825关断PWM脉冲输出，器件自锁。限流电阻R16=1kΩ，C16=1000pF，C17=330pF。

　　3.6 预燃检测电路

　　围绕电压比较器LM311构成的检测电路如图5所示。预燃之前，预燃反馈电压uf近于0 V；预燃之后，预燃反馈电压uf大于0.2V。基准参考电压uref为5.1V，通过电阻R23和R24的分压得到0.2V，取R23=24kΩ，R24 = 1kΩ。电阻R22=47kΩ与电容C19=1μF构成低通滤波器。电容C20滤除因布线和器件放置等原因引起的干扰。

图5 预燃检测电路

　　电压比较器的输出端接入上拉电阻R26=10kΩ，当电压uf小于电压0.2V，脉冲氙灯未预燃，比较器输出为低电平，同时常闭继电器S断开；当电压uf大于电压0.2V，预燃成功，比较器输出为高电平，同时继电器S闭合。R27=4.7kΩ起限流作用，电容C21=0.1μF为电源滤波电容。

　　4 试验结果及分析

　　4.1 起辉阶段试验结果及分析

　　功率开关器件Q1、Q2的驱动波形如图6(a)所示。通电后，脉冲氙灯的等效电阻很大，相当于负载开路，电路处于未工作状态，变压器的副端功率为零。原端电流很小，约0.1A。控制芯片UC3825输出最大占空比的有死区时间的互补PWM驱动信号。此时，高频变压器的原端电压很高，如图6(b)所示。电感L3两端的谐振电压波形如图6(c)所示，第一个脉冲电压大于600V。晶闸管VT1导通后，充电电容C6和耦合电感L3发生串联谐振，谐振电压突然加到电感L3两端，直至电能消耗完毕。此时，脉冲氙灯内的气体电离导通。

(a)                                         (b)

(c)

图6 起辉阶段试验波形：(a) 功率开关器件的驱动波形；(b) 变压器原端电压波形；(c) 电感L3两端谐振电压波形。

　　4.2 预燃阶段试验结果及分析

　　起辉完成后，脉冲氙灯导通，高压启辉电路停止工作。其等效电阻急剧减少，相当于负载短路，控制芯片UC3825调节输出PWM驱动信号，系统进入了闭环控制，如图7(a)所示。变压器原端电压下降，如图7(b)所示。推挽变换器输出预燃电压维持脉冲氙灯工作时的维持电流。此后，灯的等效电阻逐渐达到稳态并保持恒定。起辉预燃后的实物图如图8所示，四路并联的脉冲氙灯同时工作。

(a)                                      (b)

图7 预燃阶段试验波形：(a) 开关器件的驱动波形；(b) 变压器原端电压波形

图8 脉冲氙灯预燃实物图

　　5 结论

　　本文为满足道路检测车上的脉冲氙灯工作的需要，设计并研制了一种新型脉冲氙灯起辉预燃电源。根据脉冲氙灯起辉预燃时气体放电的特点，采用UC3825控制芯片控制的推挽变换器和高频变压器构成预燃电路以及利用串联谐振原理实现高压起辉。对于我们采用的Ф7×120mm四个并联脉冲氙灯，单个脉冲氙灯预燃电流稳定在100mA，脉冲氙灯两端的预燃电压在250V。该电源具有结构简单、输出稳定、体积小、重量轻、效率高。试验结果表明，该电源工作可靠，运行稳定，具有很强的实用价值。