??????? 1 引 言

　　隨著計算機、機械、電子技術的發(fā)展，道路檢測車使得大規(guī)模、快速、準確地獲取道路使用信息成為可能。檢測車上的攝像系統按攝像速度分為普通攝像機、高速攝像機和數碼攝像機，其中高速攝像機主要用于對路面的裂縫、坑槽等破壞狀況進行圖像采集。然而在使用高速攝像機時，大多數檢測車采用的是持續(xù)照射的光源。由于光源的強度較低，在實際使用時往往需要增加曝光時間來達到高質量的圖像數據。因此，提高照射的光源強度可以提高圖像數據的質量[1]。

　　脈沖氙燈的優(yōu)點是能解決光亮度與伴隨熱量的矛盾。它放電時發(fā)出強烈的光，但閃光持續(xù)時間很短，所以熱量影響較小。由于瞬時光能量大，圖像的層次還原較好。為了延長脈沖氙燈的壽命，提高光電轉換效率，在重復率較低的情況下，一般需要在脈沖大電流放電之前加上預燃電流[2]。如果采用傳統的工頻變壓器式預燃電路，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為解除預燃[3]。另外，脈沖氙燈在工作時，弧光放電時間較長，放電電容的能量釋放不充足而聚集可能導致放電電容不能正常放電的現象出現。本文根據脈沖氙燈的工作原理，提出了一種脈沖氙燈起輝預燃的電源結構，并研制了脈沖氙燈的預燃電源。該電源采用PWM技術控制，起輝和預燃階段共用一個電源，起輝時為電壓源，預燃時為恒流源。試驗結果表明，該電源效率較高，工作可靠，運行穩(wěn)定，有效地解決了因放電電容的殘余能量聚集導致的不正常放電現象。

　　2 脈沖氙燈的工作原理

　　脈沖氙燈的工作分為起輝、預燃和高壓放電三階段[4]，如圖1所示。其工作過程比較復雜，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壁接近觸發(fā)絲處產生電離通道，氣體由于與電子碰撞而被加熱，燈內的氙氣迅速電離，發(fā)生輝光放電。脈沖變壓器T、電容C2 、可控硅VT2 和電阻R2 構成起輝電路，當VT2 關斷時，電壓U1通過電阻R2給電容C2 充電，在電容C2 上存儲能量，通常U1 為1kV左右，充電時間很短。當VT2導通時，電容C2 和脈沖變壓器T的電感諧振放電，在變壓器T 的副端產生5kV左右的起輝電壓，脈沖氙燈在很強的軸向電場及觸發(fā)高壓脈沖作用下，氣體被擊穿，形成放電通道；預燃階段，當輸入的能量足夠大時，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，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燃回路；高壓放電階段，脈沖氙燈為弧光放電，當VT1 關斷時，電壓U3 向電容C1 充電，當VT1 導通時，電容C1 向脈沖氙燈放電，從而脈沖氙燈出現弧光頻閃現象。在高壓放電階段，預燃電路一直給脈沖氙燈提供維持電流（約100mA）。

　　圖1 脈沖氙燈工作原理示意圖

　　在傳統的脈沖氙燈起輝預燃系統中，起輝階段和預燃階段分別需要電壓源，如圖1所示，U1為起輝電壓，U2為預燃電壓，從而增加了電源設計的復雜性。新型脈沖氙燈起輝預燃電源采用PWM技術控制，起輝和預燃階段共用一個電源，起輝時為電壓源，預燃時為恒流源。起輝階段，最大占空比輸出最高電壓，通過串聯諧振得到高壓起輝電壓；預燃階段，通過調整占空比恒流輸出維持電流（約100mA）。

　　3 預燃電源的設計

　　預燃電源由脈沖氙燈的高壓觸發(fā)和預燃電流維持兩部分組成，如圖1所示。傳統預燃電路的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：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；輸出脈沖氙燈的預燃電流不可調[5]。

　　新型起輝預燃電源系統框圖如圖2所示，該電源由高頻推挽變換器、高頻變壓器、高壓啟輝電路、控制保護電路以及預燃檢測電路構成，具有變換效率高，輸出電流紋波小等特點。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)輸出預燃電壓，同時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]。控制保護電路由UC3825器件及外圍電路組成，根據主電路反饋的電流信號，為開關器件提供PWM驅動信號。預燃檢測電路將檢測到的電流信號和基準電源比較輸出預燃成功信號，并同時關閉高壓起輝。

圖2 起輝預燃電源系統框圖

　　研究表明，脈沖氙燈在高頻工作時呈電阻特性。點亮之前，其等效電阻很大，相當于負載開路。此時，控制芯片UC3825輸出最大占空比的PWM驅動信號，推挽變換器輸出高壓起輝電壓使脈沖氙燈內的氣體電離導通；起輝后，高壓起輝電路停止工作，其等效電阻急劇減少，相當于負載短路。此時，控制芯片UC3825檢測主電路的電流峰值調節(jié)輸出PWM的占空比，系統進入閉環(huán)控制，推挽變換器輸出脈沖氙燈預燃工作時的維持電流；此后，脈沖氙燈的等效電阻逐漸達到穩(wěn)態(tài)并保持恒定。

　　3.1 起輝預燃主電路

　　新型預燃電源的主電路如圖3所示。功率開關器件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構成尖峰吸收電路，在器件瞬間關斷時，吸收開關器件及線路上的尖峰電壓，減少功率MOS管關斷時的電壓應力，C1=0.01μF，R1=3.6kΩ，二極管D1耐壓大于500V，選擇UF4007。

(a)

(b)

圖3 起輝預燃電路：(a) 預燃主電路；(b) 起輝主電路

　　3.2 高頻變壓器設計

　　高頻變壓器的磁芯選用軟磁鐵氧體，磁通密度通常選用Bm=0.2T。變壓器原端輸入電壓Ui=125V，工作占空比為0.25。副端最大輸出電壓為1000V，預燃電壓為250V，預燃維持電流I=0.1A。原副端的匝數比為n=N1/N2=125/1000=1/8。鐵心有效面積S為2cm2，根據公式(1)

　　(1)

　　計算得：；N2=176。

　　取變壓器的繞組電流密度j=3A/mm2；輸出功率P0=U0I0=250×0.1=25W；輸入功率為Pi=P0/0.9=28W；原端工作電流；所需的繞組導線截面積為=0.3mm2。

　　原端電流較大，如果選擇單股繞線則有效面積直徑D=0.62mm，線徑較大，趨膚效應嚴重，因此采用多股導線并繞。原端采用5股并繞，每股導線的截面積S=0.3/5=0.06mm2，每股的線徑D=0.28mm。副端采用單股繞制，所需的導線電流截面積為S=0.1/3mm2，線徑D=0.22mm。