数字式5kW紫外灯电子镇流器的研究与设计

1 引言
紫外线固化是辐射固化的一类，是一种光化学过程，它利用紫外线灯进行照射，将工业中广泛使用的油墨、油漆、黏合剂等加以瞬间固化。与传统的热固化技术相比，紫外光固化提高了生产速度，减少了废品率，增强了耐擦伤性和耐溶剂性，具有更好的附着力。大多数企业选用变压器镇流器作为紫外线固化系统，该镇流器工作在工频50 Hz，体积笨重，发热量大，且调节功率速度缓慢，而电子镇流器能工作在0．02～20 kHz的频率，可实现输出功率的快速可调，同时自身能耗却非常小，且由于电子镇流器输出为方波，与传统变压器镇流器输出的正弦波相比，可获得更好的固化效果。此处的研究目标就是研制一套针对紫外线固化系统的绿色、稳定、智能、数字化的高性能大功率紫外灯电子镇流器。

2 紫外灯伏安特性
紫外灯是典型的气体放电灯，具有强烈的负阻抗特性。典型的紫外灯的电压、电流与时间的特性曲线如图1所示。

在点亮前阶段，随着电场的进一步增强，所有带电粒子全部到达阴极，此时电流达到饱和，电流数值从数毫安到数十毫安，灯的等效内阻非常大。当电压升高，且大于灯的击穿电压后，紫外灯进入击穿阶段工作。此时，强电场使初始带电粒子速度急速增加，它们又与中性气体氩气原子碰撞使之电离，从而形成更多的电子，这样电子数目雪崩似地增加，同时随着温度的升高，汞也随之汽化，进而使电子产生速率加快，从宏观上看也就是灯管的等效内阻大幅下降，电流迅速飙升。同时在镇流器的作用下，为了不至于将灯烧毁，管压也会迅速下降，以保证紫外灯电流在一个合理的范围内，该过程是辉光放电阶段。之后为预热阶段，该阶段是辉光转弧光放电阶段，随着灯管温度的上升，其电阻也呈非线性地增大，此时灯管电流和电压也慢慢上升，直到它们都升到额定工作的电压和电流，此时灯管的电阻、电压、电流将会保持在一个动态的平衡状态，该时刻便进入弧光放电阶段工作。由上述分析可知，紫外灯的启动过程可分为高压击穿、辉光放电、辉光转弧光放电、弧光放电4个阶段。

3 电子镇流器主电路拓扑结构
由不控整流和全桥逆变组成的两级拓扑不适用于大功率电子镇流器，结合此处所使用的5 kW紫外灯冷态击穿电压为480～500 V，采用380 V三相工频电压整流后电压波动为510～610 V，因此无需将母线电压经过Boost电路产生紫外灯的击穿电压，因此这里将在保留传统三级电子镇流器优点的同时，选择适合于所用紫外灯的电路拓扑。其中第1级为无源PFC电路，是一颗矽钢片制成的工频电感，接在整流滤波电解电容之前，它利用电感线圈内部电流不能突变的原理调节电路中电压与电流的相位差，使电流趋向于正弦化以提高功率因数。第2级与第3级继承了传统的三级式电子镇流器的形式。第2级Buck电路实现对灯电流和功率的调节，控制从灯击穿到稳态工作的所有过程，是整个电路的核心。第3级为全桥逆变，不进行调制仅为灯提供20～400 Hz，14～17 kHz方波交流电。主电路如图2所示。

Buck电路是该电路的核心，在此着重分析其关键能量传递器件，即电感和电容的设计。在大功率Buck电路中，其电感不能按照开关电源中的计算方法设计。因为小功率的Buck电路用在恒压输出、电流不大的场合，所以在该电路中设计电感时应先根据输入电压与输出电压确定占空比，然后再根据纹波电流、电感压降等条件计算电感值，而且常规的Buck电路通常工作在电流连续模式。但在紫外灯电源中，Buck电路用来调节整个电源的输出功率致使其输出电压变化范围很宽，同时由于负载电流较大，如果工作在电流连续模式，将需要一个很大的电感，这在实际应用中实现比较困难；另外，电感工作在电流断续模式时，续流二极管能在开关管开通之前截止，可减小尖峰电流的产生。因此，采取Buck电路在最大占空比时工作在临界电流连续模式，其表达式为：
Lmin=(Uinmax-Usat-Uo)／△iL (1)
式中：Uinmax为最大输入电压；Usat为IGBT导通管压降；Uo为Buck电路输出电压；△iL为电感纹波电流，在临界电流连续模式，其值为最大输出电流10A。

由式(1)可得，最小电感量为394μH，实际应用中采用了单边电感量为180μH的非晶磁芯的共模电感，串联后电感量为500μH。采用共模电感是为了滤除电路中的共模分量，减小关键器件所承受的电压应力。输出电容容量的大小决定了Buck电路输出电压纹波的强弱，工程应用中常利用式(2)进行计算：

式中：L为Buck电路电感量；Ts为Buck电路工作周期；△Uτ为满足输出要求的纹波电压。
由式(2)可得，最小电容量为9．6μF，实际应用中选用10μF／1．2 kV的高频薄膜无感电容。

4 控制系统设计
4．1 电子镇流器控制策略
Buck电路控制从灯击穿到稳态工作的全部过程，是整个电子镇流器的核心。紫外灯从启动到正常工作需经历3个阶段，即启动阶段、恒流预热阶段和功率跟随阶段。紫外灯的启动和预热阶段采用电流闭环的恒流控制，功率跟随阶段采用内环电流、外环功率的双环恒功率控制。
(1)启动阶段 电子镇流器系统启动完毕后，进行紫外灯启动，采样当前Buck输出电压和电流，如果此时电压小于50 V，并且电流在2～10 A之间，则将紫外灯运行阶段标志置为第2阶段。如果不满足上述条件则仍使紫外灯运行控制程序运行在第1阶段。在此阶段中仅进行每100μs一次的电流数字PID闭环调节。PID调节时，如果采样所得电流小于2 A，则用较小的比例系数Kp进行调节，使得Buck占空比慢慢增大，同时限制Buck电路的最大占空比为10％，因为此时紫外灯未被击穿，Buck电路相当于空载，经过几个工作周期后Buck电路输出电容的电压便会升高到紫外灯的击穿电压；如果采样所得电流大于2 A，则用较大的Kp进行调节，这时紫外灯刚被击穿，需要快速地将电流控制在合理的范围内，因此需采用较大的Kp进行调节，使得Buck电路的占空比迅速减小，从而使得灯电流迅速下降。
(2)预热阶段 转换到预热的第2阶段后，采样当前Buck电路的输出电压和电流，DSP可算得当前的功率，若此时功率大于设定功率的80％，则将紫外灯运行阶段标志置为第3阶段，否则仍使紫外灯运行控制程序运行在预热阶段。
在此阶段中也只进行每100μs一次的电流数字PID闭环调节，且此时紫外灯的工作状态相对较稳定，其等效内阻会随着温度的升高而增大，这时PID调节器只需调节Buck电路的占空比使得当前负载满足恒流的要求。
(3)功率跟随阶段 转换到功率跟随的第3阶段后，紫外灯运行控制程序便重复在这一阶段工作，除非进行新一次的启动过程。在此阶段中进行电流与功率的双数字PID闭环调节，电流PID调节的时间间隔是100μs，而功率PID调节器的时间间隔是1 ms。由于采用了电流环作为内环，且每100μs计算一次，整个电子镇流器系统可等效为一个恒流源，即具有非常高的输出阻抗。同时采用分段控制具有采样量少，控制简单较易实现等优点。图3示出闭环控制系统框图，图4示出紫外灯控制策略的流程图。