數字式5kW紫外燈電子鎮流器的研究與設計

由式(1)可得，最小電感量為394μH，實際應用中采用了單邊電感量為180μH的非晶磁芯的共模電感，串聯后電感量為500μH。采用共模電感是為了濾除電路中的共模分量，減小關鍵器件所承受的電壓應力。輸出電容容量的大小決定了Buck電路輸出電壓紋波的強弱，工程應用中常利用式(2)進行計算：

式中：L為Buck電路電感量；Ts為Buck電路工作周期；△Uτ為滿足輸出要求的紋波電壓。
由式(2)可得，最小電容量為9．6μF，實際應用中選用10μF／1．2 kV的高頻薄膜無感電容。

4 控制系統設計
4．1 電子鎮流器控制策略
Buck電路控制從燈擊穿到穩態工作的全部過程，是整個電子鎮流器的核心。紫外燈從啟動到正常工作需經歷3個階段，即啟動階段、恒流預熱階段和功率跟隨階段。紫外燈的啟動和預熱階段采用電流閉環的恒流控制，功率跟隨階段采用內環電流、外環功率的雙環恒功率控制。
(1)啟動階段 電子鎮流器系統啟動完畢后，進行紫外燈啟動，采樣當前Buck輸出電壓和電流，如果此時電壓小于50 V，并且電流在2～10 A之間，則將紫外燈運行階段標志置為第2階段。如果不滿足上述條件則仍使紫外燈運行控制程序運行在第1階段。在此階段中僅進行每100μs一次的電流數字PID閉環調節。PID調節時，如果采樣所得電流小于2 A，則用較小的比例系數Kp進行調節，使得Buck占空比慢慢增大，同時限制Buck電路的最大占空比為10％，因為此時紫外燈未被擊穿，Buck電路相當于空載，經過幾個工作周期后Buck電路輸出電容的電壓便會升高到紫外燈的擊穿電壓；如果采樣所得電流大于2 A，則用較大的Kp進行調節，這時紫外燈剛被擊穿，需要快速地將電流控制在合理的范圍內，因此需采用較大的Kp進行調節，使得Buck電路的占空比迅速減小，從而使得燈電流迅速下降。
(2)預熱階段 轉換到預熱的第2階段后，采樣當前Buck電路的輸出電壓和電流，DSP可算得當前的功率，若此時功率大于設定功率的80％，則將紫外燈運行階段標志置為第3階段，否則仍使紫外燈運行控制程序運行在預熱階段。
在此階段中也只進行每100μs一次的電流數字PID閉環調節，且此時紫外燈的工作狀態相對較穩定，其等效內阻會隨著溫度的升高而增大，這時PID調節器只需調節Buck電路的占空比使得當前負載滿足恒流的要求。
(3)功率跟隨階段 轉換到功率跟隨的第3階段后，紫外燈運行控制程序便重復在這一階段工作，除非進行新一次的啟動過程。在此階段中進行電流與功率的雙數字PID閉環調節，電流PID調節的時間間隔是100μs，而功率PID調節器的時間間隔是1 ms。由于采用了電流環作為內環，且每100μs計算一次，整個電子鎮流器系統可等效為一個恒流源，即具有非常高的輸出阻抗。同時采用分段控制具有采樣量少，控制簡單較易實現等優點。圖3示出閉環控制系統框圖，圖4示出紫外燈控制策略的流程圖。