新型脈沖氙燈起輝預(yù)燃電源的研制

　　隨著計(jì)算機(jī)、機(jī)械、電子技術(shù)的發(fā)展，道路檢測(cè)車使得大規(guī)模、快速、準(zhǔn)確地獲取道路使用信息成為可能。檢測(cè)車上的攝像系統(tǒng)按攝像速度分為普通攝像機(jī)、高速攝像機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)，其中高速攝像機(jī)主要用于對(duì)路面的裂縫、坑槽等破壞狀況進(jìn)行圖像采集。然而在使用高速攝像機(jī)時(shí)，大多數(shù)檢測(cè)車采用的是持續(xù)照射的光源。由于光源的強(qiáng)度較低，在實(shí)際使用時(shí)往往需要增加曝光時(shí)間來達(dá)到高質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)。因此，提高照射的光源強(qiáng)度可以提高圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量[1]。 

　　脈沖氙燈的優(yōu)點(diǎn)是能解決光亮度與伴隨熱量的矛盾。它放電時(shí)發(fā)出強(qiáng)烈的光，但閃光持續(xù)時(shí)間很短，所以熱量影響較小。由于瞬時(shí)光能量大，圖像的層次還原較好。為了延長(zhǎng)脈沖氙燈的壽命，提高光電轉(zhuǎn)換效率，在重復(fù)率較低的情況下，一般需要在脈沖大電流放電之前加上預(yù)燃電流[2]。如果采用傳統(tǒng)的工頻變壓器式預(yù)燃電路，就必須增大濾波電容和大功率限流電阻，增大了電路的體積，電路也容易因干擾而被誤認(rèn)為解除預(yù)燃[3]。另外，脈沖氙燈在工作時(shí)，弧光放電時(shí)間較長(zhǎng)，放電電容的能量釋放不充足而聚集可能導(dǎo)致放電電容不能正常放電的現(xiàn)象出現(xiàn)。本文根據(jù)脈沖氙燈的工作原理，提出了一種脈沖氙燈起輝預(yù)燃的電源結(jié)構(gòu)，并研制了脈沖氙燈的預(yù)燃電源。該電源采用PWM技術(shù)控制，起輝和預(yù)燃階段共用一個(gè)電源，起輝時(shí)為電壓源，預(yù)燃時(shí)為恒流源。試驗(yàn)結(jié)果表明，該電源效率較高，工作可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，有效地解決了因放電電容的殘余能量聚集導(dǎo)致的不正常放電現(xiàn)象。

　　2 脈沖氙燈的工作原理

　　脈沖氙燈的工作分為起輝、預(yù)燃和高壓放電三階段[4]，如圖1所示。其工作過程比較復(fù)雜，是一種非穩(wěn)態(tài)的氣體放電。起輝階段，放電首先在石英管內(nèi)壁接近觸發(fā)絲處產(chǎn)生電離通道，氣體由于與電子碰撞而被加熱，燈內(nèi)的氙氣迅速電離，發(fā)生輝光放電。脈沖變壓器T、電容C2 、可控硅VT2 和電阻R2 構(gòu)成起輝電路，當(dāng)VT2 關(guān)斷時(shí)，電壓U1通過電阻R2給電容C2 充電，在電容C2 上存儲(chǔ)能量，通常U1 為1kV左右，充電時(shí)間很短。當(dāng)VT2導(dǎo)通時(shí)，電容C2 和脈沖變壓器T的電感諧振放電，在變壓器T 的副端產(chǎn)生5kV左右的起輝電壓，脈沖氙燈在很強(qiáng)的軸向電場(chǎng)及觸發(fā)高壓脈沖作用下，氣體被擊穿，形成放電通道;預(yù)燃階段，當(dāng)輸入的能量足夠大時(shí)，電極加熱到具有一定的熱發(fā)射能力，燈管中的氣體則由輝光放電過渡到弧光放電。此時(shí)，脈沖氙燈可近似為一電阻，電壓U2 通過電阻R1 和二極管D 加到脈沖氙燈兩端形成預(yù)燃回路;高壓放電階段，脈沖氙燈為弧光放電，當(dāng)VT1 關(guān)斷時(shí)，電壓U3 向電容C1 充電，當(dāng)VT1 導(dǎo)通時(shí)，電容C1 向脈沖氙燈放電，從而脈沖氙燈出現(xiàn)弧光頻閃現(xiàn)象。在高壓放電階段，預(yù)燃電路一直給脈沖氙燈提供維持電流(約100mA)。

　　在傳統(tǒng)的脈沖氙燈起輝預(yù)燃系統(tǒng)中，起輝階段和預(yù)燃階段分別需要電壓源，如圖1所示，U1為起輝電壓，U2為預(yù)燃電壓，從而增加了電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。新型脈沖氙燈起輝預(yù)燃電源采用PWM技術(shù)控制，起輝和預(yù)燃階段共用一個(gè)電源，起輝時(shí)為電壓源，預(yù)燃時(shí)為恒流源。起輝階段，最大占空比輸出最高電壓，通過串聯(lián)諧振得到高壓起輝電壓;預(yù)燃階段，通過調(diào)整占空比恒流輸出維持電流(約100mA)。　

　　圖1 脈沖氙燈工作原理示意圖
　　3 預(yù)燃電源的設(shè)計(jì)

　　預(yù)燃電源由脈沖氙燈的高壓觸發(fā)和預(yù)燃電流維持兩部分組成，如圖1所示。傳統(tǒng)預(yù)燃電路的U1 和U2 通常通過工頻升壓變壓器升壓和二極管整流得到，這種電路主要存在以下缺點(diǎn)：工頻升壓變壓器體積大、笨重;限流電阻R1上消耗的功率較多，一般在100W~300W之間;必須有高壓觸發(fā)電路;輸出脈沖氙燈的預(yù)燃電流不可調(diào)[5]。

　　新型起輝預(yù)燃電源系統(tǒng)框圖如圖2所示，該電源由高頻推挽變換器、高頻變壓器、高壓?jiǎn)⑤x電路、控制保護(hù)電路以及預(yù)燃檢測(cè)電路構(gòu)成，具有變換效率高，輸出電流紋波小等特點(diǎn)。交流220V輸入電壓通過變壓器隔離，整流濾波后作為推挽變換器的輸入，推挽變換器將輸入電壓變換成高頻交流脈沖電壓，通過高頻變壓器完成電壓匹配和高頻隔離功能，然后再由輸出整流濾波環(huán)節(jié)輸出預(yù)燃電壓，同時(shí)高壓起輝電路升壓輸出高壓起輝電壓，省掉了體積龐大且笨重的工頻輸出變壓器，降低了音頻噪聲[6]。控制保護(hù)電路由UC3825器件及外圍電路組成，根據(jù)主電路反饋的電流信號(hào)，為開關(guān)器件提供PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。預(yù)燃檢測(cè)電路將檢測(cè)到的電流信號(hào)和基準(zhǔn)電源比較輸出預(yù)燃成功信號(hào)，并同時(shí)關(guān)閉高壓起輝。

　　圖2 起輝預(yù)燃電源系統(tǒng)框圖
　　研究表明，脈沖氙燈在高頻工作時(shí)呈電阻特性。點(diǎn)亮之前，其等效電阻很大，相當(dāng)于負(fù)載開路。此時(shí)，控制芯片UC3825輸出最大占空比的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，推挽變換器輸出高壓起輝電壓使脈沖氙燈內(nèi)的氣體電離導(dǎo)通;起輝后，高壓起輝電路停止工作，其等效電阻急劇減少，相當(dāng)于負(fù)載短路。此時(shí)，控制芯片UC3825檢測(cè)主電路的電流峰值調(diào)節(jié)輸出PWM的占空比，系統(tǒng)進(jìn)入閉環(huán)控制，推挽變換器輸出脈沖氙燈預(yù)燃工作時(shí)的維持電流;此后，脈沖氙燈的等效電阻逐漸達(dá)到穩(wěn)態(tài)并保持恒定。

　　3.1 起輝預(yù)燃主電路

　　新型預(yù)燃電源的主電路如圖3所示。功率開關(guān)器件Q1、Q2組成推挽變換器;高頻變壓器T1組成升壓環(huán)節(jié)，如圖3(a)所示;電感L2、電容C6和電感L3、L4構(gòu)成的高頻耦合升壓互感器組成高壓起輝環(huán)節(jié)，如圖3(b)所示;二極管D3~D6組成輸入輸出整流濾波環(huán)節(jié)。

　　交流220V電壓經(jīng)過變壓器隔離整流濾波后為125V，作為推挽變換器輸入的直流電壓。推挽變換器選用功率MOSFET器件IRF460。電容C1、電阻R1和二極管D1構(gòu)成尖峰吸收電路，在器件瞬間關(guān)斷時(shí)，吸收開關(guān)器件及線路上的尖峰電壓，減少功率MOS管關(guān)斷時(shí)的電壓應(yīng)力，C1=0.01μF，R1=3.6kΩ，二極管D1耐壓大于500V，選擇UF4007�！�