Общее:
высокоинтенсивные HID (ксенон) лампы выбраны сегодняшней автомобильной промышленностью из-за чрезвычайно высокой световой эффективности. С другой стороны, такие типы ламп гораздо более трудно управляемы из-за высоконелинейной вольт-амперной характеристики. Главный блок управления включает в себя стартер, чтобы зажечь лампу, DC-DC конвертер, чтобы обеспечить постоянный ток лампы, и мостовой конвертер (электронный балласт), выдающий переменное напряжение, чтобы обеспечить нормальную долговечность лампы. В некоторых случаях напряжение низкой частоты (около 250 Гц) может вырабатываться высоковольтными ключами типа thePowerMESH (TM) STGD3NB60SD IGBT со встроенными диодами. Высокочастотные балласты, главным образом используемые для уличного освещения, недостаточно эффективны, принимая во внимание, что....<> Новый MDmesh(TM) MOSFET идеален для применения из-за его очень малых потерь переключения. Ключевые слова: MDMESH, PowerMESH, On- resistance, MOSFET, IGBT, VIPower1. ВВЕДЕНИЕ.
Высокоинтенсивные HID (ксенон) лампы для автомобилей достаточно малы, чтобы вписаться в компактный отражатель автомобиля. Эти лампы имеют очень высокую светоотдачу, снижение утомления ночью и уменьшение ослепляющего эффекта. С другой стороны, главный их недостаток - вольт-амперная характеристика, которая затрудняет управление ими. Для лучшего понимания рассмотрим характеристики лампы. В основном надо выделить два режима работы, из-за высоко нелинейных свойств: a) ЗАПУСК Cтартовое напряжение 23 kV Максимальный ток 2.6 A Максимальная мощность 75W b) Режим стабилизации Мощность 35W +/-0.3W Напряжение V1 85V +/-17V питания лампы Ток лампы I1 = f (V1), для поддержания постоянной мощности Требования к схеме: схема запуска должна обеспечить напряжение около 23kV для ионизации газа. Тем временем другой источник (300-400 V) должен кратковременно обеспечить ток более 10A. Затем напряжение падает до 30V с током 2,4A. Когда лампа начинает нагреваться, напряжение на ней меняется до установившейся величины, 85-90V. В рабочем режиме частота питающего напряжения - около 250 Гц, и ток должен регулироваться так, чтобы мощность сохранялась в пределах 35W. Фаза запуска имеет продолжительность в зависимости от температуры лампы. Когда лампа холодна, 30 секунд. Пока горячая - 5 секунд. Так или иначе, сила света достаточно велика с самого начала. Срок службы HID-ламп зависит от постоянной составляющей напряжения, не следует использовать шасси ("массу") как один из питающих проводов.2. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ
Цель проделанной в inSTMicroelectronics работы состояла в том, чтобы изучить различные проблемы, связанные с розжигом и управлением этими лампами и в то же самое время создать демонстрационный макет, отвечающий главным требованиям - для непосредственного применения. Полная схема может быть разделена на три основных блока: (см. рис. 1)
Блок # 1. Стартер, который производит высокое
напряжение, необходимое для ионизации газа.
Блок # 2. Регулируемый DC/DC конвертер имеет следующие
характеристики:
a)-400V на холостом ходу,
b)-2.4A, когда Vout =-30V,
c) постоянная мощность (35W), когда Vout =-85 +/-17V.
В дополнение к этому, система должна гарантировать
вышезаявленные характеристики при изменении напряжения
питающей батареи в диапазоне 13.2V +/-15%
Блок # 3. DC/AC конвертор, который может генерировать
переменное напряжение прямоугольной формы, с амплитудой от
пика до пика равной 2*Vout, где Vout - напряжение,
вырабатываемое DC/DC конвертером (блок 2) и средняя величина
на нагрузке равняется строго 0 V, с частотой 250 Гц.
Блок # 1. Эта часть схемы должна обеспечить амплитуду
импульсов напряжения в 24 kV. При использовании мощных
MOSFET - компонентов, выдерживающие напряжение до 800V,
высоковольтный трансформатор должен иметь отношение
преобразования t = 30. Получается, что отношение первичной
к вторичной индуктивности, Ls/Lp, должно быть равно 900.
Это означает, что разумно выбрать Ls = 2мГн и Lp = 2.2 мкГн.
Вследствие малой Lp и запаса энергии (35-40 мДж) для
передачи, ток в традиционной схеме преобразования
должен быть около 60A. Очевидно, что 12V батарея и
800V мощный MOSFET все же несовместимы с 60A током.
Возможно решить эту проблему, используя схему рис. 2,
где 100 мкГн индуктивность L добавлена к Lp.
Энергия будет запасена в 120нФ конденсаторе в 50 циклах
по 4A. Когда напряжение на конденсаторе достигает 800V,
разрядник открывается и передает импульс напряжения на
первичную обмотку трансформатора. В этой части схемы мощный
MOSFET - транзистор - это STP7NB80 (800V, 1.6 Ом макс,
ТО-220), управляемый генератором на NE555, работющим на
частоте 20kHz с 90% скважностью.
Схема обеспечивает импульсы высокого напряжения
длительностью 2.5 миллисекунд каждый, и отключается,
когда напряжение на лампе понижается до 150V.
Рис. 2. Схема блока # 1.
Block # 2. Этот блок может рассматриваться как главная
секция системы, он должен отслеживать любые изменения
режима лампы. В частности, во время старта поддерживать
розжиг лампы и во время установившегося режима обеспечивать
постоянную мощность независимо от напряжения питающей
батареи и напряжения на лампе. Потребность иметь Vout в
пределах от -400V до - 30V приводит к выбору одноключевой
схемы с трансформатором рис. 3.
Трансформатор подобран так, чтобы работать на 200 кГц с
отношением количества витков Ns/Np=14/5, что означает
Lp=4мкГн, Ls=31мкГн и полный ток 20A.
Рис. 3. Блок # 2.
Мощный MOSFET-транзисторы - STP40NS15
с BVdss > 150V и Rds(on) = 0,04 Ом.
Управление выполнено посредством PWM -контроллера
UC3843A, который использует MOSFET как внешний
буфер.
Чтобы обеспечить правильное регулирование, используются
два резистора, один для тока и другой для напряжения на
конверторе. Два сигналы, снимаемые с этих резисторов, после
преобразования в положительные уровни, смешиваются и
результирующий сигнал подается на инвертирующий вход
усилителя рассогласования. Таким образом UC3843A выполняет
регулирование по току и напряжению и, следовательно, по
мощности. Недостаток этого способа контроля - наличие
измерительного резистора последовательно с MOSFET. Его
сопротивление сопоставимо с внутренним сопротивление
открытого MOSFET - транзистора, это означает, что
рассеивание мощности на резисторе - около 1 Ватта.
Возможное решение этой проблемы - использовать MOSFET со
встроенным датчиком тока. Такой выбор позволил бы экономить
мощность. Идеально применение в этой части
smart-устройства, такого как VIPover. Этот прибор
фактически имеет датчик нагрузки, мультирегулирующую функцию
и защиту от перегрева и короткого замыания.
Блок # 3.
Задача этой части схемы - создание переменного
напряжения для питания лампы, чтобы избежать старения колбы
лампы из-за высокотемпературной электролитической
проводимости. Обычно, оптимальная частота для этого - около
250 Гц. Но, чтобы лампа не погасла в фазе запуска,
необходимо уменьшить частоту в первых двух циклах до 20Hz.
Лучшая структура, которая может реализовать такое DC/AC
преобразование - мостовая схема с использованием
500-вольтовых ключей. Выбор четырех компонентов моста
может быть различен. Помимо традиционного MOSFET, можно
применить любой IGBT или новый MDmesh, но принимая во
внимание низкую частоту преобразования, лучший выбор -
IGBT.
Два полумостовых драйвера (L6569) применены на рис. 4.
Рис. 4. Блок #3.
Единственное неудобство этого решения - необходимость
питать вутреннюю схему напряжением от 15V до 400V. Поэтому
необходимо добавлять в схему дополнительный источник тока,
способный снабжать током 2 мА интегральную схему.
При запуске, в начальной последовательности,
слаботочный биполярный транзистор должен подключить
дополнительный конденсатор параллельно основному
времязадающему конденсатору генератора.
Используемый IGBT - PowerMESH STGD3NB60SD,
размещенный в DPAK вместе с диодом и VceSAT ниже
1.5V при 3A.
Другое решение состоит в том, чтобы использовать новый
MDmesh MOSFET STD5NM50 (500V, 0.8 Ом, DPAK). Кроме
чрезвычайно низкого сопротивления в открытом состоянии, DPAK
имее очень высокую dv/dt способность и время переключения
независимое от температуры - это делает такой мост гораздо
менее подверженым любому возможному риску перегрузки током.
Также MDMESH MOSFET хорош и при более высоких
частотах.
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
Реализованная система управления гарантирует хорошую работу ламп, даже если схема предоставляет собой различные варианты построения для автомобильных устройств. Так или иначе, главная цель была - продемонстрировать, что и любой маленький IGBT со встроенным диодом, и самый последний революционный высоковольтный MDmesh - применимы в мостовом преобразователе. Конечно, окончательный выбор может быть обусловлен экономическими и производственными критериями. Библиография High Voltage MDmesh TM Power MOSFET: An Innovative concept setting new challenges in the design of Power Supplies and Energy Conversion Systems by F. Di Giovanni, M. Saggio, R. Scollo PCIM 2000, Boston. STGD3NB60SD and STD5NM50 datasheetsПеревод, тех.корректура и оформление: А. Лашманов. 2003 г. На главную страницу "светотехника"