本发明涉及一种单周期控制恒功率HID灯电子镇流器及其控制方法；它具有整体效率高、电磁兼容好、系统稳定可靠、结构简单、易于实施等优点；它包括依次连接的电磁兼容滤波单元、高功率因数整流单元、储能电容器、高频逆变半桥、低频逆变半桥、滤波电感器、滤波电容器、点火单元；电磁兼容滤波单元的输入端接市电，点火单元的输出端接HID灯；所述高频逆变半桥和低频逆变半桥还分别与驱动单元连接，驱动单元与单周期控制器和主控单元连接；单周期控制与电流检测单元和主控单元连接，电流检测单元串联在直流母线输入回路中；主控单元还与电压检测单元连接，电压检测单元与直流母线连接。
1.一种单周期控制恒功率HID灯电子镇流器，其特征是：它包括高频逆变半桥（4）和低频逆变半桥（5），所述高频逆变半桥（4）和低频逆变半桥（5）共用同一直流母线；高频逆变半桥（4）的逆变输出端串联滤波电感器（6）后接点火单元（8）的一个输入端；低频逆变半桥（5）的逆变输出端接点火单元（8）的另一个输入端；滤波电容器（7）与点火单元（8）的两个输入端并联；点火单元（8）的输出端接HID灯（9）；
高频逆变半桥（4）和低频逆变半桥（5）的控制输入端则分别接驱动单元（12）的对应驱动输出端；
驱动单元（12）的高频驱动信号输入端接单周控制单元（11）的输出端，驱动单元（12）的低频驱动信号输入端接主控单元（14）的低频方波驱动脉冲输出端；单周控制单元（11）的输入端还分别与电流检测单元（10）的输出端以及主控单元（14）的对应控制输出端连接；
电流检测单元（10）的输入端串联在逆变桥直流母线的输入回路中；
直流母线的两极之间还接有电压检测单元（13），其输出端接主控单元；高功率因数整流单元（2）的控制输入端与主控单元（14）的对应控制输出端连接；
所述单周控制单元（11）由反相运算单元（15）、电阻器（16）、运算放大器（17）、积分电容器（18）、复位开关（19）、异或运算单元（20）、RS触发器（21）、比较器（22）构成；其中，反相运算单元（15）的输入端接所述单周控制单元（11）的电流信号输入端；电阻器（16）、运算放大器（17）和积分电容器（18）接成反相积分器电路，其输入端接反相运算单元（15）的输出端，其输出端接比较器（22）的“＋”输入端；比较器（22）的“－”输入端接所述单周控制单元（11）的电流参考信号输入端，其输出端接RS触发器（21）的R触发端；RS触发器（21）的S触发端接所述单周控制单元（11）的高频同步信号输入端，其输出端Q接异或运算单元（20）的一个输入端，其输出端 接复位开关（19）的控制端；复位开关（19）的两极与积分电容器（18）并联；异或运算单元（20）的另一输入端接所述单周控制单元（11）的低频方波驱动脉冲输入端，其输出端接所述单周控制单元（11）的输出端；
所述驱动单元（12）由半桥驱动器Ⅰ（31）、半桥驱动器Ⅱ（32）、与门Ⅰ（33）、与门Ⅱ（34）、非门Ⅰ（35）、非门Ⅱ（36）构成；其中，半桥驱动器Ⅰ（31）的各驱动输出端分别接所述驱动单元（12）的高频逆变半桥驱动对应输出端，其输入端H和输入端L分别接与门Ⅰ（33）和与门Ⅱ（34）的输出端；与门Ⅰ（33）的一个输入端接所述驱动单元（12）的高频驱动信号输入端，另一个输入端接非门Ⅱ（36）的输出端；与门Ⅱ（34）的一个输入端接非门Ⅰ（35）的输出端，另一个输入端接所述驱动单元（12）的低频驱动信号输入端；半桥驱动器Ⅱ（32）的各驱动输出端分别接所述驱动单元（12）的低频逆变半桥驱动对应输出端，其输入端H接所述驱动单元（12）的低频驱动信号输入端，其输入端L接非门Ⅱ（36）的输出端；非门Ⅰ（35）和非门Ⅱ（36）的各输入端分别接所述驱动单元（12）的高频驱动信号输入端和低频驱动信号输入端。
2.一种单周期控制恒功率HID灯电子镇流器，其特征是：它包括高频逆变半桥（4）和低频逆变半桥（5），所述高频逆变半桥（4）和低频逆变半桥（5）共用同一直流母线；高频逆变半桥（4）的逆变输出端串联滤波电感器（6）后接点火单元（8）的一个输入端；低频逆变半桥（5）的逆变输出端接点火单元（8）的另一个输入端；滤波电容器（7）与点火单元（8）的两个输入端并联；点火单元（8）的输出端接HID灯（9）；
高频逆变半桥（4）和低频逆变半桥（5）的控制输入端则分别接驱动单元（12）的对应驱动输出端；
驱动单元（12）的高频驱动信号输入端接单周控制单元（11）的输出端，驱动单元（12）的低频驱动信号输入端接主控单元（14）的低频方波驱动脉冲输出端；单周控制单元（11）的输入端还分别与电流检测单元（10）的输出端以及主控单元（14）的对应控制输出端连接；
电流检测单元（10）的输入端串联在逆变桥直流母线的输入回路中；
直流母线的两极之间还接有电压检测单元（13），其输出端接主控单元；高功率因数整流单元（2）的控制输入端与主控单元（14）的对应控制输出端连接；
所述单周控制单元（11）由反相运算单元（15）、电阻器（16）、运算放大器（17）、积分电容器（18）、复位开关（19）、异或运算单元（20）、RS触发器（21）、比较器（22）构成；其中，反相运算单元（15）的输入端接所述单周控制单元（11）的电流信号输入端；电阻器（16）、运算放大器（17）和积分电容器（18）接成反相积分器电路，其输入端接反相运算单元（15）的输出端，其输出端接比较器（22）的“＋”输入端；比较器（22）的“－”输入端接所述单周控制单元（11）的电流参考信号输入端，其输出端接RS触发器（21）的R触发端；RS触发器（21）的S触发端接所述单周控制单元（11）的高频同步信号输入端，其输出端Q接异或运算单元（20）的一个输入端，其输出端 接复位开关（19）的控制端；复位开关（19）的两极与积分电容器（18）并联；异或运算单元（20）的另一输入端接所述单周控制单元（11）的低频方波驱动脉冲输入端，其输出端接所述单周控制单元（11）的输出端；
所述驱动单元（12）由半桥驱动器Ⅲ（37）、半桥驱动器Ⅳ（38）、非门Ⅲ（39）、非门Ⅳ（40）构成；其中，半桥驱动器Ⅲ（37）的各驱动输出端分别接所述驱动单元（12）的高频逆变半桥驱动对应输出端，其输入端H接所述驱动单元（12）的高频驱动信号输入端，其输入端L接非门Ⅲ（39）的输出端；半桥驱动器Ⅳ（38）各驱动输出端分别接所述驱动单元（12）的低频逆变半桥驱动对应输出端，其输入端H接所述驱动单元（12）的低频驱动信号输入端，其输入端L接非门Ⅳ（40）的输出端；非门Ⅲ（39）和非门Ⅳ（40）的各输入端分别接所述驱动单元（12）的高频驱动信号输入端和低频驱动信号输入端。
3.如权利要求1所述单周期控制恒功率HID灯电子镇流器，其特征是，所述高频逆变半桥（4）由功率场效应管Ⅰ（23）、快恢复二极管Ⅰ（24）、肖特基二极管Ⅰ（25）、功率场效应管Ⅱ（26）、快恢复二极管Ⅱ（27）、肖特基二极管Ⅱ（28）构成；其中，功率场效应管Ⅰ（23）的漏极接直流母线正极，其源极接肖特基二极管Ⅰ（25）的阳极，其栅极接所述高频逆变半桥（4）的对应驱动输入端；肖特基二极管Ⅰ（25）的阴极接所述高频逆变半桥（4）的逆变输出端；快恢复二极管Ⅰ（24）的阳极接所述高频逆变半桥（4）的逆变输出端，其阴极接直流母线正极；功率场效应管Ⅱ（26）的漏极接所述高频逆变半桥（4）的逆变输出端，其源极接肖特基二极管Ⅱ（28）的阳极，其栅极接所述高频逆变半桥（4）的对应驱动输入端；肖特基二极管Ⅱ（28）的阴极接直流母线负极；快恢复二极管Ⅱ（27）的阳极接直流母线负极，其阴极接所述高频逆变半桥（4）的逆变输出端；功率场效应管Ⅰ（23）和功率场效应管Ⅱ（26）的源极还分别接所述高频逆变半桥（4）的对应驱动输入端。
4.如权利要求1所述单周期控制恒功率HID灯电子镇流器，其特征是，所述高频逆变半桥（4）由IGBTⅠ（29）和IGBTⅡ（30）按照公知逆变半桥的连接关系构成。
5.如权利要求1所述的单周期控制恒功率HID灯电子镇流器，其特征是，所述直流母线的两极之间接有储能电容器（3），并与高功率因数整流单元（2）的输出端连接；高功率因数整流单元（2）的输入端接电磁兼容滤波单元（1）的输出端，电磁兼容滤波单元（1）的输入端接市电线路。
6.如权利要求1所述单周期控制恒功率HID灯电子镇流器的控制方法，其特征是，它的步骤为：
⑴由电压检测单元（13）测得直流母线电压信号，并将其送入主控单元（14），由主控单元根据直流母线电压Vdc和预设恒定灯功率P0，按下式计算产生电流参考信号Ir：其中，η为变流器综合效率；
⑵由主控单元（14）采用公知技术产生频率为120-400Hz的低频方波驱动信号DL，和频率为50～100kHz高频同步脉冲信号cp，并将其送入单周控制单元（11）；
⑶由电流检测单元测得逆变桥的直流母线的输入电流信号iin，将其送入单周控制单元（11）；
⑷由单周控制单元（11）按照以下控制方程产生单周控制脉冲pd：
其中：T为高频同步脉冲信号cp的周期，d为单周控制脉冲pd的占空比；即单周控制脉冲pd的宽度为dT，周期为T；
对pd和DL进行异或逻辑运算，得到高频驱动脉冲信号DH：
⑹驱动单元（12）按照以下逻辑运算关系，分别产生各逆变桥臂的驱动信号DHH、DHL、DLH和DLL：
在驱动信号逻辑1时驱动相应的逆变桥臂导通，在驱动信号逻辑0时驱动相应的逆变桥臂关断；
获得DHH和DHL的另一种更为简单的逻辑运算关系为：
单周期控制恒功率HID灯电子镇流器及其控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于高强度气体放电灯电子驱动技术领域，尤其涉及一种单周期控制恒功率HID灯电子镇流器及其控制方法。
背景技术
[0002] HID(High intensity discha rge)灯又称为高强度气体放电灯，因其较高的发光效率和良好的光色，成为目前户外照明中普遍采用的光源。常见的HID灯有高压钠灯，高压汞灯，陶瓷HID灯和氙灯等。HID灯的传统驱动方式是电感镇流器方式。该驱动方式的优点是，照明系统结构简单，成本低，镇流器可靠耐用；其缺点是，所驱动的光源有工频频闪，系统输入功率因数低，且输出功率受电网电压的波动影响严重，不能保证光源的寿命。随着人们对于照明品质要求的不断提高和节能降耗的意识的不断加强，电子式镇流器在越来越多的领域替代了电感式镇流器。电子镇流器具有节能、消除光源的频闪、结构紧凑、重量轻、保护功能完善等优点，而且能够符合国家的法律法规要求。因此电子镇流器的大力推广利国利民，是镇流器发展的必然方向。
[0003] HID灯电子镇流器的传统技术方案为三级功率变换，包括升压型PFC功率变换单元，DC/DC降压单元和低频桥式逆变单元。三级功率变换方式具有控制思路清晰，各个环节控制相对独立等特点。但是三级功率变换方案系统成本较高，效率偏低，控制方式相对比较复杂。
[0004] 近年来对于降低镇流器成本和提高系统效率的两级功率变换方案的研究越来越多，一种方案是：前级采用降压型PFC替代升压型PFC功率变换单元和DC-DC降压单元，后级采用低频桥式逆变。另一种方案是：前级采用升压型功率因数校正单元，后级将低频桥式逆变单元与DC-DC降压单元合并。
[0005] 上述第一种方案存在输入电压范围窄、控制驱动复杂等缺点，实际应用较少；第二种方案的技术路线以意法半导体应用笔记[AN2747：250W HID metal halide electronic ballast，May2008]为代表。该文献提出了一种典型的两级变换250W HID灯电子镇流器：第一级为功率因数校正单元，是常规的PFC升压变换器；第二级为全桥逆变单元，用于实现低频逆变、降压及其恒功率控制。具体实现方式为：逆变全桥的两个上桥臂开关管为MOSFET，下桥臂开关管为IGBT，电流取样电阻连接于两个IGBT源极与直流母线电容器之间。两下桥臂IGBT以驱动HID灯所需的较低频率交替导通，而与导通的下桥臂成对角的上桥臂MOSFET以高频PWM调制模式工作，实现降压和功率控制；全桥输出经LC滤波后接点火单元，然后接HID灯。
[0006] 该技术方案具有功率变换次数少、结构简单、效率高等优点，但存在以下严重缺点：
[0007] 1)HID灯电极的高频电位与逆变桥的一个输出端相同，随着逆变桥的两个上桥臂交替工作于高频PWM调制模式，HID灯电极上会间隔出现高幅值的高频PWM脉冲电压，导致严重的电磁干扰，电磁兼容性难以达到有关规范的要求。
[0008] 2)系统恒功率调节计算繁琐，且易受系统参数离散性的影响。
[0009] 恒功率控制是通过采样IGBT电流峰值Ipeak、母线电压Vbus和灯电压Vlamp，先计算出灯电流，计算公式为：
[0010] Ilamp＝Ipeak-K·Vlamp·(Vbus-Vlamp)
[0011] 其中：K＝1/2LfVbus，L为电感量，f为高频开关频率；
[0012] 通过比较灯功率的计算值(Vlamp·Ilamp)与设定值的差异，来调节峰值电流的参考值，从而实现输出功率的调节，达到输出恒功率的目的；上述计算式中任一变量发生偏差都会影响控制精度。
[0013] 3)系统控制方式采用PWM峰值电流控制，易受系统噪声的影响，导致系统震荡等问题。
[0014] 发明内容：
[0015] 本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种功率变换次数少、结构简单、电磁兼容性好，性能稳定可靠的单周期控制恒功率HID灯电子镇流器及其控制方法。
[0016] 为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0017] 一种单周控制恒功率HID灯电子镇流器，其特征是：它包括高频逆变半桥和低频逆变半桥，所述高频逆变半桥和低频逆变半桥共用同一直流母线；直流母线的两极之间接有储能电容器，并与高功率因数整流单元的输出端连接；高功率因数整流单元的输入端接电磁兼容滤波单元的输出端，电磁兼容滤波单元的输入端接市电线路；高频逆变半桥的逆变输出端串联滤波电感器后接点火单元的一个输入端；低频逆变半桥的逆变输出端接点火单元的另一个输入端；滤波电容器与点火单元的两个输入端并联；点火单元的输出端接HID灯；高频逆变半桥和低频逆变半桥的控制输入端则分别接驱动单元的对应驱动输出端；
[0018] 驱动单元的高频驱动信号输入端接单周控制单元的输出端，其低频驱动信号输入端接主控单元的低频方波驱动脉冲输出端；单周控制单元的各输入端分别与电流检测单元的输出端以及主控单元的对应控制输出端连接；电流检测单元的输入端串联在逆变桥直流母线的输入回路中；
[0019] 直流母线的两极之间还接有电压检测单元，其输出端接主控单元；高功率因数整流单元的控制输入端与主控单元的对应控制输出端连接；
[0020] 所述单周控制恒功率HID灯电子镇流器，其特征是，所述单周控制单元由反相运算单元、电阻器、运算放大器、积分电容器、复位开关、异或运算单元、RS触发器、比较器构成；其中，反相运算单元的输入端接所述单周控制单元的电流信号输入端①；电阻器、运算放大器和积分电容器接成反相积分器电路，其输入端接反相运算单元的输出端，其输出端接比较器的“+”输入端；比较器的“-”输入端接所述单周控制单元的电流参考信号输入端②，其输出端接RS触发器的R触发端；RS触发器的S触发端接所述单周控制单元的高频同步信号输入端③，其输出端Q接异或运算单元的一个输入端，其输出端 接复位开关的控制端；复位开关的两极与积分电容器并联；异或运算单元的另一输入端接所述单周控制单元的低频方波驱动脉冲输入端④，其输出端接所述单周控制单元的输出端；
[0021] 所述单周控制恒功率HID灯电子镇流器，其特征是，所述高频逆变半桥由功率场效应管I、快恢复二极管I、肖特基二极管I、功率场效应管II、快恢复二极管II、肖特基二极管II构成；其中，功率场效应管I的漏极接直流母线正极，其源极接肖特基二极管I的阳极，其栅极接所述高频逆变半桥的对应驱动输入端；肖特基二极管I的阴极接所述高频逆变半桥的逆变输出端；快恢复二极管I的阳极接所述高频逆变半桥的逆变输出端，其阴极接直流母线正极；功率场效应管II的漏极接所述高频逆变半桥的逆变输出端，其源极接肖特基二极管II的阳极，其栅极接所述高频逆变半桥的对应驱动输入端；肖特基二极管II的阴极接直流母线负极；快恢复二极管II的阳极接直流母线负极，其阴极接所述高频逆变半桥的逆变输出端；功率场效应管I和功率场效应管II的源极还分别接所述高频逆变半桥的对应驱动输入端；
[0022] 所述单周控制恒功率HID灯电子镇流器，其特征是，所述高频逆变半桥由IGBT I和IGBTII按照公知逆变半桥的连接关系构成；
[0023] 单周控制恒功率HID灯电子镇流器，其特征是，所述驱动单元由半桥驱动器I、半桥驱动器II、与门I、与门II、非门I、非门II构成；其中，半桥驱动器I的各驱动输出端分别接所述驱动单元的高频逆变半桥驱动对应输出端，其输入端H和输入端L分别接与门I和与门II的输出端；与门I的一个输入端接所述驱动单元的高频驱动信号输入端①，另一个输入端接非门II的输出端；与门II的一个输入端接非门I的输出端，另一个输入端接所述驱动单元的低频驱动信号输入端②；半桥驱动器II的各驱动输出端分别接所述驱动单元的低频逆变半桥驱动对应输出端，其输入端H接所述驱动单元的低频驱动信号输入端②，其输入端L接非门II的输出端；非门I和非门II的各输入端分别接所述驱动单元的高频驱动信号输入端①和低频驱动信号输入端②；
[0024] 所述单周控制恒功率HID灯电子镇流器，其特征是，所述驱动单元由半桥驱动器III、半桥驱动器IV、非门III、非门IV构成；其中，半桥驱动器III的各驱动输出端分别接所述驱动单元的高频逆变半桥驱动对应输出端，其输入端H接所述驱动单元的高频驱动信号输入端①，其输入端L接非门III的输出端；半桥驱动器IV各驱动输出端分别接所述驱动单元的低频逆变半桥驱动对应输出端，其输入端H接所述驱动单元的低频驱动信号输入端②，其输入端L接非门IV的输出端；非门III和非门IV的各输入端分别接所述驱动单元的高频驱动信号输入端①和低频驱动信号输入端②；
[0025] 所述单周控制恒功率HID灯电子镇流器控制方法，其特征是，它的步骤为：
[0026] (1)由电压检测单元测得直流母线电压信号，并将其送入主控单元，由主控单元根据直流母线电压Vdc和预设恒定灯功率PO，按下式计算产生电流参考信号Ir：
[0027]
[0028] 其中，η为变流器综合效率；
[0029] 将Ir送入单周控制单元；
[0030] (2)由主控单元采用公知技术产生频率为120-400Hz的低频方波驱动信号DL，和频率为50～1OOkHz高频同步脉冲信号cp，并将其送入单周控制单元；
[0031] (3)由电流检测单元测得逆变桥的直流母线的输入电流信号iin，将其送入单周控制单元；
[0032] (4)由单周控制单元按照以下控制方程产生单周控制脉冲pd：
[0033]
[0034] 其中：T为高频同步脉冲信号cp的周期，d为单周控制脉冲pd的占空比；即单周控制脉冲pd的宽度为dT，周期为T；
[0035] 对pd和DL进行异或逻辑运算，得到高频驱动脉冲信号DH：
[0036]
[0037] (5)将DH和DL分别送入驱动单元；
[0038] (6)驱动单元按照以下逻辑运算关系，分别产生各逆变桥臂的驱动信号DHH、DHL、DLH和DLL：
[0039]
[0040]
[0041] DLH＝DL
[0042]
[0043] 其中：DHH为高频逆变半桥上桥臂驱动信号；
[0044] DHL为高频逆变半桥下桥臂驱动信号；
[0045] DLH为低频逆变半桥上桥臂驱动信号；
[0046] DLL为低频逆变半桥下桥臂驱动信号；
[0047] 在驱动信号逻辑1时驱动相应的逆变桥臂导通，在驱动信号逻辑0时驱动相应的逆变桥臂关断。
[0048] 获得DHH和DHL的另一种更为简单的逻辑运算关系为：
[0049] DHH＝DH
[0050]
[0051] 可以获得等效的控制效果。
[0052] 采用上述方案，电子镇流器功能由两级功率变换完成，比传统的三级变换方式结构简化、效率提高；方案中高频逆变半桥和低频逆变半桥按所述控制方法协同工作时，HID灯上即可获得具有恒定功率特征的低频方波激励电压和电流，保证HID灯以预定恒功率稳定发光。
[0053] 在上述方案中，仅对高频逆变半桥进行高频PWM调制，而不是像文献[AN2747：250W HIDmetal halide electronic ballast，May 2008]所述，对两个逆变半桥的上桥臂交替进行高频PWM调制，因此仅高频逆变半桥的输出端存在高频PWM脉冲电压；此时，可由滤波电感器对高频拟变半桥输出端的高频PWM脉冲电压进行有效隔离，并由滤波电容器旁路残余高频电流纹波，使HID灯的两个电极之间不存在高频PWM脉冲电压；而HID灯的一个电极与始终以低频调制方式工作的低频逆变半桥的输出端电位相同，不存在高频PWM脉冲电压，因此HID灯的两个电极上均不存在高频PWM脉冲电压，从而防止了高频电磁干扰，使系统的电磁兼容性显著提高；
[0054] HID灯的恒功率控制采用单周控制方法直接对直流母线的输入电流单周期平均值进行控制，而电流参考值由目标功率和直流母线电压通过简单的计算得出；由于系统效率很高，且在确定的工作条件下效率基本恒定不变，HID灯功率也将保持恒定；
[0055] 单周控制是一种非线性控制法，其基本思想是：控制开关占空比，在每个周期内使逆变器开关变量的平均值与控制参考值相等或成一定比例，从而消除稳态和瞬态误差。单周控制具有反应快、控制精度高、控制电路简单、控制性能对系统参数变化不敏感等优点。本发明所述技术方案，提供了一种将单周控制技术应用于两级功率变换HID灯电子镇流器的方法，并将单周控制和简捷可靠的恒功率控制方法相结合，恒功率控制所涉及的测量少，计算简捷，抗干扰性能好且控制精度不受元器件参数影响，可使HID灯电子镇流器的稳定性、可靠性和产品一致性得到显著提升。
[0056] 综上所述，本发明的有益实施效果为：
[0057] 1)与公知的三级功率变换HID灯电子镇流器相比，结构简化，效率提高；
[0058] 2)与公知的两级功率变换HID灯电子镇流器相比，显著降低了电磁干扰，提高了电磁兼容性能；
[0059] 3)简化控制算法，降低控制精度对器件参数的依赖，使HID灯电子镇流器的稳定性、一致性和可靠性得到显著提升。附图说明：
[0060] 图1为所述单周控制恒功率HID灯电子镇流器第一实施例结构示意图；
[0061] 图2为单周控制单元第一实施例结构示意图；
[0062] 图3为高频逆变半桥第一实施例结构示意图；
[0063] 图4为高频逆变半桥第二实施例结构示意图；
[0064] 图5为驱动单元第一实施例结构示意图；
[0065] 图6为驱动单元第一实施例结构示意图；
[0066] 图7为镇流器样机高频逆变半桥和低频逆变半桥输出对地参考波形；
[0067] 图8为镇流器样机高频逆变半桥和低频逆变半桥输出经LC滤波后对地参考波形；
[0068] 图9为HID灯两端电压波形。
[0069] 其中：1电磁兼容滤波单元、2高功率因数整流单元、3储能电容器、4高频逆变半桥、5低频逆变半桥、6滤波电感器、7滤波电容器、8点火单元、9HID灯、10电流检测单元、11单周控制单元、12驱动单元、13电压检测单元、14主控单元、15反相运算单元、16电阻器、17运算放大器、18积分电容器、19复位开关、20异或运算单元、21RS触发器、22比较器、23功率场效应管I、24快恢复二极管I、25肖特基二极管I、26功率场效应管II、27快恢复二极管II、28肖特基二极管II、29IGBT I、30IGBT II、31半桥驱动器I、32半桥驱动器II、33与门I、34与门II、35非门I、36非门II、37半桥驱动器III、38半桥驱动器IV、39非门III、40非门IV。
具体实施方式
[0070] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0071] 图1为所述单周控制恒功率HID灯电子镇流器第一实施例结构示意图。
[0072] 如图1所示，一种单周控制恒功率HID灯电子镇流器，其特征是：它包括4高频逆变半桥和5低频逆变半桥，所述4高频逆变半桥和5低频逆变半桥共用同一直流母线；直流母线的两极之间接有3储能电容器，并与2高功率因数整流单元的输出端连接；2高功率因数整流单元的输入端接1电磁兼容滤波单元的输出端，1电磁兼容滤波单元的输入端接市电线路；4高频逆变半桥的逆变输出端串联6滤波电感器后接8点火单元的一个输入端；5低频逆变半桥的逆变输出端接8点火单元的另一个输入端；7滤波电容器与8点火单元的两个输入端并联；8点火单元的输出端接9HID灯；4高频逆变半桥和5低频逆变半桥的控制输入端则分别接12驱动单元的对应驱动输出端；
[0073] 12驱动单元的高频驱动信号输入端接11单周控制单元的输出端，其低频驱动信号输入端接14主控单元的低频方波驱动脉冲输出端；11单周控制单元的各输入端分别与10电流检测单元的输出端以及14主控单元的对应控制输出端连接；10电流检测单元的输入端串联在逆变桥直流母线的输入回路中；
[0074] 直流母线的两极之间还接有13电压检测单元，其输出端接主控单元；2高功率因数整流单元的控制输入端与14主控单元的对应控制输出端连接；
[0075] 所述单周控制恒功率HID灯电子镇流器，其特征是，如图2所示，所述11单周控制单元由15反相运算单元、16电阻器、17运算放大器、18积分电容器、19复位开关、20异或运算单元、21RS触发器、22比较器构成；其中，15反相运算单元的输入端接所述11单周控制单元的电流信号输入端①；16电阻器、17运算放大器和18积分电容器接成反相积分器电路，其输入端接15反相运算单元的输出端，其输出端接22比较器的“+”输入端；22比较器的“-”输入端接所述11单周控制单元的电流参考信号输入端②，其输出端接21RS触发器的R触发端；21RS触发器的S触发端接所述11单周控制单元的高频同步信号输入端③，其输出端Q接20异或运算单元的一个输入端，其输出端 接19复位开关的控制端；19复位开关的两极与18积分电容器并联；20异或运算单元的另一输入端接所述11单周控制单元的低频方波驱动脉冲输入端④，其输出端接所述11单周控制单元的输出端；
[0076] 所述单周控制恒功率HID灯电子镇流器，其特征是，如图3所示，所述4高频逆变半桥由23功率场效应管I、24快恢复二极管I、25肖特基二极管I、26功率场效应管II、27快恢复二极管II、28肖特基二极管II构成；其中，23功率场效应管I的漏极接直流母线正极，其源极接25肖特基二极管I的阳极，其栅极接所述4高频逆变半桥的对应驱动输入端；25肖特基二极管I的阴极接所述4高频逆变半桥的逆变输出端；24快恢复二极管I的阳极接所述4高频逆变半桥的逆变输出端，其阴极接直流母线正极；26功率场效应管II的漏极接所述4高频逆变半桥的逆变输出端，其源极接28肖特基二极管II的阳极，其栅极接所述
4高频逆变半桥的对应驱动输入端；28肖特基二极管II的阴极接直流母线负极；27快恢复二极管II的阳极接直流母线负极，其阴极接所述4高频逆变半桥的逆变输出端；23功率场效应管I和26功率场效应管II的源极还分别接所述4高频逆变半桥的对应驱动输入端；
[0077] 所述单周控制恒功率HID灯电子镇流器，其特征是，如图4所示，所述4高频逆变半桥由29IGBT I和30IGBT II按照公知逆变半桥的连接关系构成；
[0078] 所述单周控制恒功率HID灯电子镇流器，其特征是，如图5所示，所述12驱动单元由31半桥驱动器I、32半桥驱动器II、33与门I、34与门II、35非门I、36非门II构成；其中，31半桥驱动器I的各驱动输出端分别接所述12驱动单元的高频逆变半桥驱动对应输出端，其输入端H和输入端L分别接33与门I和34与门II的输出端；33与门I的一个输入端接所述12驱动单元的高频驱动信号输入端①，另一个输入端接36非门II的输出端；34与门II的一个输入端接35非门I的输出端，另一个输入端接12所述驱动单元的低频驱动信号输入端②；32半桥驱动器II的各驱动输出端分别接12所述驱动单元的低频逆变半桥驱动对应输出端，其输入端H接所述12驱动单元的低频驱动信号输入端②，其输入端L接36非门II的输出端；35非门I和36非门II的各输入端分别接所述12驱动单元的高频驱动信号输入端①和低频驱动信号输入端②；
[0079] 所述单周控制恒功率HID灯电子镇流器，其特征是，如图6所示，所述12驱动单元由37半桥驱动器III、38半桥驱动器IV、39非门III、40非门IV构成；其中，37半桥驱动器III的各驱动输出端分别接所述12驱动单元的高频逆变半桥驱动对应输出端，其输入端H接所述12驱动单元的高频驱动信号输入端①，其输入端L接39非门III的输出端；38半桥驱动器IV各驱动输出端分别接所述12驱动单元的低频逆变半桥驱动对应输出端，其输入端H接12所述驱动单元的低频驱动信号输入端②，其输入端L接40非门IV的输出端；39非门III和40非门IV的各输入端分别接所述12驱动单元的高频驱动信号输入端①和低频驱动信号输入端②；
[0080] 所述单周控制恒功率HID灯电子镇流器控制方法，其特征是，它的步骤为：
[0081] (1)由13电压检测单元测得直流母线电压信号，并将其送入14主控单元，由主控单元根据直流母线电压Vdc和预设恒定灯功率PO，按下式计算产生电流参考信号Ir：
[0082]
[0083] 其中，η为变流器综合效率；
[0084] 将Ir送入11单周控制单元；
[0085] (2)由14主控单元采用公知技术产生频率为120-400Hz的低频方波驱动信号DL，和频率为50～100kHz高频同步脉冲信号cp，并将其送入11单周控制单元；
[0086] (3)由电流检测单元测得逆变桥的直流母线的输入电流信号iin，将其送入11单周控制单元；
[0087] (4)由11单周控制单元按照以下控制方程产生单周控制脉冲pd：
[0088]
[0089] 其中：T为高频同步脉冲信号cp的周期，d为单周控制脉冲pd的占空比；即单周控制脉冲pd的宽度为dT，周期为T；
[0090] 对pd和DL进行异或逻辑运算，得到高频驱动脉冲信号DH：
[0091]
[0092] (5)将DH和DL分别送入12驱动单元；
[0093] (6)12驱动单元按照以下逻辑运算关系，分别产生各逆变桥臂的驱动信号DHH、DHL、DLH和DLL：
[0094]
[0095]
[0096] DLH＝DL
[0097]
[0098] 其中：DHH为高频逆变半桥上桥臂驱动信号；
[0099] DHL为高频逆变半桥下桥臂驱动信号；
[0100] DLH为低频逆变半桥上桥臂驱动信号；
[0101] DLL为低频逆变半桥下桥臂驱动信号；
[0102] 在驱动信号逻辑1时驱动相应的逆变桥臂导通，在驱动信号逻辑0时驱动相应的逆变桥臂关断。
[0103] 获得DHH和DHL的另一种更为简单的逻辑运算关系为：
[0104] DHH＝DH
[0105]
[0106] 可以获得等效的控制效果。
[0107] 采用上述装置和控制方法，市电输入经过1电磁兼容滤波单元后送入高功率因数整流单元，转换成400V左右的直流，并联储能电容器后送入高频逆变半桥和低频逆变半桥的直流母线，低频逆变半桥的上下桥臂在主控单元的控制下按照所述低频频率交替导通，通过点火单元将HID灯的一个电极交替置于直流母线的正极电位和负极电位；与此对应，高频逆变半桥的上下桥臂在单周控制单元和主控单元的控制下，交替以高频PWM调制方式工作于Buck变换器状态，通过滤波电感器和点火单元向HID灯的另一个电极提供按所述低频交替换向的驱动电流，驱动电流中的高频PWM脉动分量受到滤波电感器的抑制，并被滤波电容器进一步滤除，使HID灯获得所需低频方波驱动电流和电压。
[0108] 灯功率的控制由单周控制器通过控制直流母线输入电流在每个PWM开关周期内的平均值得以实现，参考电流由目标功率、直流母线电压和变流器效率通过简单的计算求得；由于能量守恒定律的制约，HID灯获得的驱动功率必然等于直流母线的输入功率乘以变流器效率，在确定的工作状态下，变流器效率基本是常量，因此HID灯获得的驱动功率也保持恒定。由于单周控制仅需在每个PWM开关周期内对被控电流的瞬时值进行积分，而不需要检测被控电流的峰值，因此可有效避免各种噪声干扰，实现实时、稳定的控制。
[0109] 图中的电磁兼容滤波单元、高功率因数整流单元、点火单元、电流检测单元、电压检测单元、主控单元、反相运算单元、复位开关、异或运算单元、RS触发器、比较器、半桥驱动器、与门I、非门等功能单元均可采用公知技术实现；例如：电磁兼容滤波单元可采用共模电感、差模电感、X电容和Y电容配合实现，高功率因数整流单元可采用ST6562等PFC控制芯片构成的典型电路实现，点火单元采用升压变压器加气体放电管实现，电流检测单元、电压检测电源皆可采用标准采样电阻和通用运算放大器实现，主控单元可采用ATMega48PA等8位单片机实现，反相运算单元可由通用运算放大器实现，复位开关可采用CD4066等模拟开关芯片实现，异或运算单元可采用CD4070等通用数字逻辑芯片实现，RS触发器可采用CD4013等通用数字逻辑芯片实现，比较器可采用LM339等电压比较器实现，半桥驱动器可采用IR2110等半桥驱动芯片实现，与门I可采用CD4081等通用数字逻辑芯片实现，非门可采用CD4049通用数字逻辑芯片实现。
[0110] 图7中通道1为镇流器样机高频逆变半桥输出对地参考波形；通道2为镇流器样机低频逆变半桥输出对地参考波形。
[0111] 图8中通道1为镇流器样机高频逆变半桥输出经LC滤波后对地参考波形；通道2为镇流器样机低频逆变半桥输出对地参考波形。从实测波形可以看出，高频逆变半桥输出的高频PWM经LC滤波后，高频分量被滤除掉，从而有效的阻止了高频噪声的向外传导和辐射。
[0112] 图9为HID灯两端电压波形，从实测波形可以看出，最终驱动HID的是无高频分量的低频方波，因此电子镇流器具有良好的电磁兼容性能。
