基于不定頻率控制的高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器
[導讀]摘要：研制了一種基于不定頻率控制的高效、可靠的高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器，采用設(shè)計頻率調(diào)制技術(shù)消除了聲共振，及簡單可靠的諧振式啟動電路及過流、過壓和異常保護電路。
關(guān)鍵詞：高壓鈉燈；聲共振；頻率調(diào)制；串聯(lián)諧
摘要：研制了一種基于不定頻率控制的高效、可靠的高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器，采用設(shè)計頻率調(diào)制技術(shù)消除了聲共振，及簡單可靠的諧振式啟動電路及過流、過壓和異常保護電路。
關(guān)鍵詞：高壓鈉燈；聲共振；頻率調(diào)制；串聯(lián)諧振
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0 引言
高壓鈉燈（HPSL）是一種性能優(yōu)異的高強度氣體放電燈（HIDL），其優(yōu)點是光效高、壽命長、光色好，所以應用廣泛。與所有的氣體放電電光源一樣，高壓鈉燈呈負V－I特性，需要鎮(zhèn)流器來抑制燈電流，而且啟動時需要5～20kV的氣體擊穿電壓。傳統(tǒng)的電感鎮(zhèn)流器體積大，功率因數(shù)低（只能達到0.3～0.4），而且對電網(wǎng)電壓波動的適應能力不強，所以，研制性價比較高的電子鎮(zhèn)流器以取代電感鎮(zhèn)流器是大勢所趨?，F(xiàn)已研制的高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器大都是高頻電子鎮(zhèn)流器，在高頻狀態(tài)下，高壓鈉燈容易熄弧，并存在聲共振問題。為避免聲共振，現(xiàn)已研制的600W高壓鈉燈高頻電子鎮(zhèn)流器采用了頻率調(diào)制技術(shù)，使高壓鈉燈的電流工作頻率時刻圍繞中心頻率上下變化。啟動部分采用LC串聯(lián)諧振電路產(chǎn)生高壓，簡單可靠。
1 整體控制策略
電路原理框圖如圖1所示。主電路分為兩級，第一級為整流及有源功率因數(shù)校正電路（APFC），第二級為逆變電路?？梢钥闯觯娮渔?zhèn)流器實質(zhì)上是一個典型的AC/DC/AC變換電路。輔助電源由UC3844組成的單端反激式電源構(gòu)成，輸出電壓18V給芯片供電。
圖1 600W電子鎮(zhèn)流器整體結(jié)構(gòu)圖
2 整流和APFC部分
交流電經(jīng)二極管整流，雖然輸入電壓是正弦的，但輸入電流卻嚴重畸變，效率很低，大量使用會給電網(wǎng)造成嚴重危害，同時輸入電流諧波生成的噪聲也會影響電路運行。APFC能使電路輸入功率因數(shù)提高到0.95以上，使輸入電流基本為正弦波，諧波含量大大減少。本文采用FAN7527B控制的Boost電路作為APFC電路如圖2所示。FAN7527B是Fairchild Semiconductor公司生產(chǎn)的簡單高效的功率因數(shù)校正器，內(nèi)含R/C濾波器，故外圍電路不需接R/C濾波器。變壓器T1副邊有兩個作用：給芯片供電，同時作為電流過零的檢測信號。此芯片采用電壓電流雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)使用電流斷續(xù)不定頻率模式控制。電壓檢測信號（腳1）和同步信號（腳3）相乘作為電流給定，R5為電流檢測電阻。輸出電壓可在較大范圍內(nèi)進行控制，根據(jù)后一級需要，這里控制在400V，如圖2所示。
圖2 整流和APFC原理圖
3 高頻半橋逆變部分
高頻逆變是高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器的重要組成部分，采用了半橋逆變變異形式，少用了兩個電容，結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)約了成本。只是電路的輸出電壓是全橋的一半，在同樣輸出功率的條件下，半橋的功率管電流比全橋大一倍，考慮到高壓鈉燈正常工作電壓，半橋電路能完全滿足其需求。如圖3所示，其工作過程為電感L1和C9首先達到串聯(lián)諧振，頻率為200kHz，產(chǎn)生7kV高壓，使高壓鈉燈點火，點火后高壓鈉燈導通，C9不起作用，由于C8>>C9，C8和電感不會諧振，起到了鎮(zhèn)流作用，這時頻率以35kHz為中心上下波動2kHz范圍，1min后高壓鈉燈達到恒定功率正常運行。半橋輸出方波，經(jīng)C8和L1鎮(zhèn)流后變?yōu)楦哳l交流電。
如圖3所示，半橋驅(qū)動芯片采用美國硅通公司生產(chǎn)的電壓型PWM控制器SG3525A，是一種性能優(yōu)良，功能齊全，通用性很強的單片集成PWM控制器。該芯片簡單可靠，且使用方便靈活，通過適當外接電路，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)PWM控制，還可以完成輸入軟啟動、過載限流、過壓保護、死區(qū)調(diào)節(jié)等多種功能。其工作原理為將觸發(fā)脈沖變壓器T3輸出的兩路互補的PWM驅(qū)動脈沖送至開關(guān)管S2、S3的柵極，控制兩只功率管交替工作。SG3525A內(nèi) 的 振 蕩 器 外 接 時 標 電 容 CT， 通 過 電 阻RD提 供 放 電 通 路 。 改 變RD的 數(shù) 值 則 可 以 改 變CT的 放 電 時 間 ， 同 時 可 以 改 變 死 區(qū) 時 間 。 而 CT的 充電 電 流 則 由RT規(guī) 定 的 電 流 源 決 定 ， SG3525A的腳 8起 到 輸 入 軟 啟 動 作 用 。 SG3525A的 振 蕩 頻 率f=1/[CT×(0.7RT＋RD)]。
圖3 半橋高頻逆變電路
4 聲共振的抑制
在采用高頻電源點燃HPSL時，管內(nèi)壓力波的脈動從管內(nèi)壁反射回來，若與燈的高頻電流的脈動成分相位相同，則形成駐波，產(chǎn)生聲共振。只要鎮(zhèn)流器的工作頻率與其中的一個聲振蕩頻率相同，就有可能產(chǎn)生聲共振。
研究表明，在8kHz～150kHz頻率范圍內(nèi)，易產(chǎn)生聲共振。為此，對聲共振的抑制國外文獻提出了許多方法，如直流疊加法、周期換相法和變頻調(diào)制法，但因電路復雜及成本增加較多而不能投入批量生產(chǎn)。而在適當?shù)母哳l下，頻率調(diào)制驅(qū)動技術(shù)是一種簡單實用的新型技術(shù)，它在消除高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器中的聲頻共振現(xiàn)象時效果很好。
如圖4所示，本次實驗采用了555定時器組成多諧振蕩器，發(fā)出頻率為2kHz的方波，使S4不斷地導通和關(guān)斷，促使SG3525A的振蕩器的腳6電平發(fā)生變化，結(jié)果就使鎮(zhèn)流器的工作頻率時刻圍繞中心頻率(35kHz)變化，有時即使遇到聲頻振蕩頻率，由于還來不及形成駐波，頻率就變化了，這樣避免了聲共振。
圖4 聲共振的抑制原理圖
5 實驗結(jié)果
根據(jù)以上的設(shè)計，實驗用高壓鈉燈型號為NG400，數(shù)字存儲示波器型號為DS－5000系列。如圖5所示，其啟動電壓為7kV，脈沖寬度小于等于0.2μs。圖6是高壓鈉燈正常工作時的電壓電流輸出波形，通道1為電壓輸出波形，通道2為電流輸出波形；電壓有效值為128V，電流最大值為9.8A，有效值為4.7A。
圖5 高壓鈉燈啟動波形
圖6 高壓鈉燈正常工作時的電壓電流輸出波形
6 結(jié)語
600W的太陽能高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器的實驗結(jié)果表明其電路工作穩(wěn)定，采用頻率調(diào)制技術(shù)消除了聲共振，基本實現(xiàn)恒功率控制，高壓鈉燈可靠穩(wěn)定的工作，說明達到了相關(guān)技術(shù)要求，并且電路啟動快，簡單可靠。
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