基于LCC諧振網(wǎng)絡(luò)的滑頻軟啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)

高壓鈉燈(HPS)是一種高強(qiáng)度氣體放電燈(HID)，因其光效率高、顯色性好而倍受人們的青睞。其電子鎮(zhèn)流器作為"綠色照明工程"的重要組成部分，日益成為人們研究的熱點(diǎn)。但啟動(dòng)問題卻是整個(gè)電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。原因在于：

1、需要一個(gè)幅值在3kV～5kV，脈寬在2μs左右且具有足夠能量的電壓來觸發(fā)。幅值和脈寬過小，燈都無法完成湯姆遜放電→過渡放電→輝光放電→弧光放電過程。幅值過大，將對燈及電路產(chǎn)生巨大的沖擊，影響使用壽命；

2、必須保證諧振電路呈感性，以利于續(xù)流二極管和并聯(lián)電容實(shí)現(xiàn)功率管的軟開關(guān)，減小損耗；

3、盡量減小電流，防止因電感飽和而使諧振電壓和電流激增，沖擊開關(guān)管，影響整個(gè)電路的正常工作； 4、能有效避開老化對啟動(dòng)的影響，使電路具有一定的自適應(yīng)能力。

基于上述理由，根據(jù)LC串并聯(lián)諧振理論，本文提出了LCC諧振網(wǎng)絡(luò)滑頻軟啟動(dòng)的解決方案，對此方案進(jìn)行了理論分析和研究，并給出了工程設(shè)計(jì)方法。

LCC串并聯(lián)諧振理論分析

采用LCC諧振電路的逆變器及其工作原理

在中小功率的高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器中，考慮到成本等因素，常常使用如圖1所示的半橋逆變電路。

該逆變電路利用高壓鈉燈在諧振前后阻抗的變化特性來實(shí)現(xiàn)。首先，功率開關(guān)管Q1和Q2在PWM芯片的驅(qū)動(dòng)下，以頻率f交替開通和關(guān)斷，LCC諧振電路就得到了幅值為Uab的高頻方波。隔直電容Cs再將輸入電壓中的直流分量濾除。然后，LC在驅(qū)動(dòng)頻率f附近發(fā)生串聯(lián)諧振，產(chǎn)生瞬時(shí)高壓將HPS燈擊穿點(diǎn)亮；由于HPS具有負(fù)阻特性，鈉燈支路從諧振前的開路變?yōu)槎搪?。于是，電容Cr被放電電弧短接，LC自然失諧，震蕩停止。電路由于電感的限流作用而進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。

理論分析

圖2給出了LCC諧振半橋逆變器的簡化等效電路。其中，Lr和Cr為諧振電感和電容，Cs為隔直電容，Rlamp為HPS的等效電阻，Uab為諧振腔輸入的高頻方波電壓。電路具體分析如下：

諧振電壓分析
高頻方波Uab由傅立葉級數(shù)展開可得：

從方波的傅立葉級數(shù)分解可以看出，高次諧波的幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于基波電壓的幅值。加之電容Cr對高次諧波的抑制作用，所以

僅考慮基波時(shí)：

考慮基波和3次諧波時(shí)：

由Lr Cr串聯(lián)諧振可得自然諧振角頻率

LC諧振時(shí)，感性或容性無功電壓與總電壓之比稱為電路的品質(zhì)因數(shù)。如下所示：

假設(shè)HPS燈兩端電壓為輸出，則可得到電路的傳遞函數(shù)：

幅頻特性為：

相頻特性為：

當(dāng)截止頻率介于基波和3次諧波之間時(shí)，將(2)式代入

燈端電壓：

當(dāng)截止頻率介于3次和5次諧波之間時(shí)，將(3)式代入

燈端電壓：

通過仿真可知，高次諧波產(chǎn)生的諧振電壓與基波相近，電流比基波產(chǎn)生的電流小。因此，基波與高次諧波迭加的方法常常被用于大功率數(shù)字控制高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器中。而在中小功率的鈉燈鎮(zhèn)流器中，由于所需啟動(dòng)電壓相對較低，往往直接用基波就可以滿足要求。同時(shí)，由于沒有高次諧波，所以燈端電壓波形更接近于正弦波。

諧振電流分析

在LCC網(wǎng)絡(luò)諧振時(shí)，由于開關(guān)管Q1和Q2的寄生電容較小，且諧振電流較大，因此，可以認(rèn)為開關(guān)管Q1和Q2的回路電流和電感Lr上的諧振電流基本保持一致。所以，減小開關(guān)管上的回路電流也就是減小電感Lr上的諧振電流。而對于電感Lr上的電流：

可解得模 ；相角

將(7)式代入后可得：



如式(12)所示，在鈉燈功率一定的情況下，可以通過調(diào)整頻率f來減小諧振電流Ir，如果頻率已經(jīng)選定，則可以通過選取Cr將高次諧波引入諧振網(wǎng)絡(luò)，減少開關(guān)管Q1和Q2的電流，使開關(guān)管長期工作在安全裕量之內(nèi)，提高鎮(zhèn)流器的使用壽命。

軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)

LCC諧振網(wǎng)絡(luò)具有明顯的低通濾波器的特性，Q越大，諧振電壓Ur越大。根據(jù)(11)式研究0、ω／ω0、Q之間的關(guān)系，可得：當(dāng)Q<1時(shí)，諧振電路在整個(gè)工作頻率內(nèi)都呈感性；當(dāng)Q>1，ω<ω0時(shí)，諧振電路呈容性；當(dāng)ω>ω0時(shí)，諧振電路呈感性。當(dāng)電路呈現(xiàn)容性時(shí)，電流超前于電壓，功率管存在開通損耗。當(dāng)電路呈感性時(shí)，電流滯后于方波電壓，由于續(xù)流二極管和并聯(lián)電容Cm的作用，功率管實(shí)現(xiàn)了零電壓開通(ZVS)和零電流關(guān)斷(ZVS)，減小了損耗。

定頻帶滑頻軟啟動(dòng)

實(shí)際工程中，電感、電容、燈等元器件參數(shù)的不一致性，使得設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)頻率與諧振頻率恰好保持一致是相當(dāng)困難的。如果驅(qū)動(dòng)頻率偏離自然諧振頻率較遠(yuǎn)時(shí)，根據(jù)LC串聯(lián)諧振理論：一定的諧振頻率對應(yīng)一定的諧振電壓，則可能出現(xiàn)諧振電壓不足，難以驅(qū)動(dòng)燈的情況。為此，提出了定頻帶滑頻軟啟動(dòng)的方法，以解決燈的有效觸發(fā)問題。

定頻帶滑頻軟啟動(dòng)是指在LCC諧振網(wǎng)絡(luò)的自然諧振頻率ω0附近選取一個(gè)頻帶(ω1→ω2對應(yīng)f1→f2)，讓工作頻率從一點(diǎn)滑到另一點(diǎn)。根據(jù)LCC電壓增益特性，HPS燈兩端的諧振電壓將逐漸升高，直至到達(dá)某一點(diǎn)，負(fù)載端電壓恰好可以將燈內(nèi)部的等離子體擊穿，完成放電過程。

電壓增益的最大值一般發(fā)生在固有頻率ω0附近偏左側(cè)。為了減小LCC網(wǎng)絡(luò)在ω0處發(fā)生諧振產(chǎn)生的高壓對元件的沖擊，同時(shí)，也為了適應(yīng)燈、電容，以及電感等元件的老化、離散等造成的啟動(dòng)故障，最好將滑頻帶f1→f2選取在固有頻率f0的右側(cè)。這樣有助于實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。

電路實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)波形

電路實(shí)現(xiàn)

基于以上的理論分析，設(shè)計(jì)了如圖3所示的滑頻軟啟動(dòng)電路。其工作原理如下：

在QD端為低電平時(shí)，三極管Q1處于截止?fàn)顟B(tài)，PWM控制芯片的輸出驅(qū)動(dòng)頻率由R1、R2、R3和C1決定。隨著QD端電壓升高，電解電容C2被緩慢充電，Q1的基級電壓也逐漸增大，Q1由截止區(qū)，經(jīng)放大區(qū)變到飽和區(qū)。當(dāng)Q1到達(dá)飽和區(qū)時(shí)，電阻R3等效于被三極管Q1短接。此時(shí)，得到滑頻啟動(dòng)的截止頻率為 即是滑頻軟啟動(dòng)所設(shè)定的頻帶。

電子鎮(zhèn)流器從fmin啟動(dòng)，經(jīng)電容充電過程，驅(qū)動(dòng)頻率滑到fs(設(shè)fs為起振頻率)，fs經(jīng)OutA和OutB口輸出PWM波，驅(qū)動(dòng)如圖1所示的開關(guān)管Q1和Q2，產(chǎn)生高頻方波。諧振網(wǎng)絡(luò)的Lr和Cr在驅(qū)動(dòng)頻率滑到f處發(fā)生串聯(lián)諧振，在HPS兩端產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)高壓將燈點(diǎn)亮。同時(shí)，電容Cr也被負(fù)載短路，LC自然失諧。整個(gè)高壓鈉燈的LCC諧振滑頻軟啟動(dòng)過程完成。

實(shí)驗(yàn)波形

根據(jù)這個(gè)思路設(shè)計(jì)了70W太陽能高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器，并進(jìn)行了反復(fù)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該啟動(dòng)方法穩(wěn)定可靠。圖4為該鎮(zhèn)流器LCC諧振滑頻軟啟動(dòng)電路的實(shí)測波形。從圖中可以看到明顯的滑頻軟啟動(dòng)過程。

結(jié)語

本文針對LCC諧振網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了深入地分析和闡釋，給出了高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器滑頻軟啟動(dòng)的設(shè)計(jì)方案，并在太陽能高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，該啟動(dòng)電路穩(wěn)定可靠，可以很好地解決各種中小功率高強(qiáng)度氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器的啟動(dòng)問題。