高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器的研制

    摘要：高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器相比于電感式鎮(zhèn)流器具有許多優(yōu)勢(shì)，但眾多的設(shè)計(jì)方法難以達(dá)到實(shí)用。介紹了采用美國UNITRODE公司的專用芯片UCC2305設(shè)計(jì)的高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器，并描述了其原理和方法。

    關(guān)鍵詞：綠色照明；高壓鈉燈；功率因素；恒功率

引言

高壓鈉燈（HPSL）[1]是高強(qiáng)度放電燈（HIDL——HighIntensityDischargeLamp）中的一種，因其具有極好的光效（80～140lm/W）和合適的光波長，而被廣泛用于戶外照明，如廣場、道路、碼頭等。但是，傳統(tǒng)的電感式的鎮(zhèn)流器存在功率因數(shù)低和自身損耗大的缺點(diǎn)。大量低功率因數(shù)電器的使用，對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染，不但增加了供發(fā)電設(shè)備的負(fù)荷，使供發(fā)電設(shè)施得不到充分利用，而且嚴(yán)重影響其它用電設(shè)備的正常運(yùn)行。

綠色照明事業(yè)在世界范圍的蓬勃發(fā)展，推進(jìn)了電子鎮(zhèn)流器的廣泛使用。電子鎮(zhèn)流器不但可以做到很高的功率因數(shù)（接近1），而具有顯著的節(jié)能效果，而且還能在很寬的電壓范圍內(nèi)點(diǎn)燈工作，很好地解決了電感式鎮(zhèn)流器的缺點(diǎn)。因?yàn)?，HPSL的功率相對(duì)于熒光燈大得多，用量也極大，所以，HPSL電子鎮(zhèn)流器的開發(fā)應(yīng)用，具有更加深遠(yuǎn)的意義。

1 對(duì)高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器的要求

HPSL電子鎮(zhèn)流器因使用場所和其本身的特性，要求較為嚴(yán)格。它的基本要求是：

1）較高的功率因數(shù)（≥0.99）；

2）適應(yīng)溫度范圍－20～50℃，且防雨雪；

3）輸出到燈的功率必須恒定；

4）為防電極極化，燈的電流必須是交流，而且須防聲共振；

5）必須有2.5～4kV的點(diǎn)燈觸發(fā)電壓，燈點(diǎn)亮后高壓須消除，不影響燈的正常工作；

6）較高的功率（一般人行道為75W，道路為250W，廣場為400W，最高達(dá)1000W）；

7）對(duì)各種故障（燈短路、燈開路或無燈、弧光不正常、燈過壓、燈過流以及電路本身的故障）的識(shí)別及保護(hù)功能完善。

2 方案的選擇

能夠?qū)崿F(xiàn)上述基本功能的方法有好多種，雖然許多廠商競相研制生產(chǎn)，但能做到實(shí)用較為困難，因?yàn)?，簡單的電路難以滿足要求，復(fù)雜的電路成本昂貴。通過對(duì)HPSL電子鎮(zhèn)流器的大量研究，本文介紹采用美國UNITROD公司專門為HIDL控制器設(shè)計(jì)的專用芯片——UCC2305[2]制作的250W鎮(zhèn)流器，其基本的框圖如圖1所示。

它主要由功率因數(shù)校正（PFC）電路、UCC2305控制電路、觸發(fā)電路和輔助電源4部分組成，電路較為簡單。

2．1 功率因數(shù)校正

實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正的方法很多[1][2][3][4][5]，本案選擇UC3854B作為控制芯片，建立了固定頻率平均電流型有源功率因數(shù)校正電路，如圖2所示。在圖2中，整流橋B1、儲(chǔ)能電感L1、功率開關(guān)器件S1、升壓二極管D1、輸出濾波電容C1和電流取樣電阻R1組成了PFC主電路。

圖2

    跟UC3854一樣，UC3854B提供了有源功率因數(shù)校正的全部功能，這些功能包括電壓放大器、模擬乘法/除法器、電流放大器和固定頻率PWM，另外，還含有功率MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器、7.5V基準(zhǔn)電壓、總線預(yù)測(cè)器、加載賦能比較器、低電壓檢測(cè)器和過流比較器等。平均電流模式的控制使正弦化線電流穩(wěn)定、低失真而不象峰值電流控制需要斜率補(bǔ)償。

交流176～264V輸入電壓經(jīng)B1整流成為100Hz的正弦半波電壓，為了迫使線電流跟隨電壓變化，UC3854B的腳6經(jīng)R5引入這個(gè)正弦半波線電壓取樣，內(nèi)部乘法器將此信號(hào)（設(shè)為B）與輸出電壓放大器的輸出（設(shè)為A）相乘，產(chǎn)生電流控制環(huán)的基準(zhǔn)信號(hào)。同時(shí)正弦半波電壓又經(jīng)由R2，R3，C3，R4和C4組成的分壓電路產(chǎn)生與線電壓的均方根值成正比的電壓值，這個(gè)電壓送到UC3854B的腳8，在其乘法器中平方（此值設(shè)為C）。乘法器將實(shí)際線電流與電壓放大器輸出的乘積除以線電壓的均方根值的平方，即乘法器的輸出IM=AB/C。腳8的輸入可對(duì)線電壓的變化作出補(bǔ)償，使PFC能夠在85～255V的輸入電壓范圍內(nèi)工作。R1是線電流取樣電阻，它的負(fù)端與乘法器的輸出一起接到電流放大器的正向端，正端接到電流放大器的反向端。該電流放大器有較高的低頻增益，但控制環(huán)路的帶寬很大，使線電流跟隨線電壓變化成為可能。

UC3854B相比于UC3854，提供了一個(gè)寬的帶寬、低偏置的電流放大器、具有快速響應(yīng)的“能使”比較器、判斷基準(zhǔn)好壞的比較器以及一個(gè)改進(jìn)的乘法器/除法器，低電壓保護(hù)改為10V，啟動(dòng)電壓為10.5V，而不再是UC3854的16V，啟動(dòng)電流更低。

由于這方面的資料和文獻(xiàn)極多，本文不再作更詳細(xì)的敘述和計(jì)算表達(dá)。電路中主要元器件B1為4A/600V整流橋，L1=1.2mH，S1為IRFP840，D1為MUR086。

2．2 UCC2305控制器

UCC2305集成了控制和驅(qū)動(dòng)HIDL所有的功能需要，它適用于金屬鹵素?zé)簦ㄈ缙嚧鬅簟⒎庞硻C(jī)燈等）、高壓汞燈和高壓鈉燈等高強(qiáng)度放電燈控制器的驅(qū)動(dòng)和控制。它包含一個(gè)完全的電流模式脈寬調(diào)制器、一個(gè)燈功率調(diào)節(jié)器、燈溫補(bǔ)償器和所有故障保護(hù)。

UCC2305的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能如圖3所示。其單端驅(qū)動(dòng)腳19（PWMOUT）可驅(qū)動(dòng)正激式、反激式、升壓式、降壓式等不同類型的電路。主輸出腳9（QOUT）和腳15（QOUT）采用大電流推拉電路，可以驅(qū)動(dòng)半橋和全橋電路。橋路輸出采用低頻交流，UCC2305內(nèi)置分頻器將單端驅(qū)動(dòng)的頻率（一般取100kHz）除以512，得到195Hz的低頻，因此消除了聲共振。聲共振是HIDL在高頻電源供電時(shí)出現(xiàn)的放電電弧不穩(wěn)的現(xiàn)象，其機(jī)理是燈管內(nèi)壓力波的脈動(dòng)從管內(nèi)壁反射回來，如果與高頻電流的脈動(dòng)成分相位相同，則形成駐波，產(chǎn)生聲共振，輕則燈光抖動(dòng)，重則燒毀燈管和鎮(zhèn)流器。

圖3

    圖4給出了采用UCC2305作為控制芯片的250WHPSL電子鎮(zhèn)流器的原理圖。由于HIDL的阻抗非線性（其阻抗特性見圖5），在燈未點(diǎn)亮之前處于高阻，一旦外加高壓觸發(fā)點(diǎn)亮以后燈就導(dǎo)通，其兩端電壓迅速降低，燈電流增大，呈現(xiàn)負(fù)阻特性。如果還以平常的電壓加于燈上，燈將燒毀。而HIDL在剛啟動(dòng)的冷態(tài)和長時(shí)間工作的熱態(tài)的阻抗又有很大差別，因此，HIDL控制器必須是一個(gè)電流模式控制下的恒功率輸出。在本方案中，單端采用了降壓式Buck電路，將PFC輸出的400V電壓，在恒電流下降至HPSL所需的工作電壓。由于是高端驅(qū)動(dòng)，所以需將PWM信號(hào)電平移位，采用IR2117或者TLP250等IC均能實(shí)現(xiàn)。電流取樣采用電流互感器T1，因?yàn)殚_關(guān)頻率較高，因此只需很小的磁芯，初次級(jí)匝比為1：100。電流信號(hào)經(jīng)D10整流后送到UCC2305的腳23（ISENSE端）。在UCC2305中HIDL功率的調(diào)節(jié)是計(jì)算燈電流和電壓，指令適當(dāng)?shù)妮斎腚娏鞅３譄艄β实暮愣ā６鵁舻碾妷河煞謮罕葹?20：1的分壓電阻R36與R37得到，送到芯片的腳11（VOUT－SENSE）；燈的電流由取樣電阻R18得到，這個(gè)信號(hào)送到芯片的腳5（LOADISENSE）。UCC2305的電流模式PWM類似于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的UC3842和UCC3802電路，使用高增益開環(huán)放大器，LOADISENSE信號(hào)直接送入該放大器，放大器放大了預(yù)期燈電流和實(shí)際燈電流之差，并在反饋誤差放大器腳LPOWER產(chǎn)生一個(gè)粗略地比例于燈功率的輸出信號(hào)。開環(huán)放大器驅(qū)動(dòng)一個(gè)高速PWM比較器，這個(gè)比較器將控制器的輸入電流，即腳23的ISENSE信號(hào)跟開環(huán)放大器的輸出電流比較，用這個(gè)信號(hào)設(shè)置占空比。因此，控制器的輸出調(diào)節(jié)在恒定的功率，以使燈光的強(qiáng)度相對(duì)恒定。

S3、L2和C14的確定在文獻(xiàn)[3]有詳細(xì)的計(jì)算，對(duì)于一個(gè)250W的HPSL，S3采用IRFP840、L2選用EE30鐵氧體磁芯,電感量1.5mH，C14為100μF、400V的電解電容。

控制器的輸出采用全橋逆變器。逆變器工作在195Hz的低頻，燈的平均電壓為零。橋路的驅(qū)動(dòng)由腳QOUT和QOUT輸出，它們均以50％的占空比工作，相差180°。采用IR2110驅(qū)動(dòng)高端和低端的MOSFET管。這樣的方法成本較貴，也可以低端直接驅(qū)動(dòng)，高端采用一個(gè)高壓晶體管、一個(gè)上拉電阻以及正確的相位。燈在正常點(diǎn)燃時(shí)，需要變換燈的極性，但當(dāng)燈還未點(diǎn)亮?xí)r交流電壓將干擾啟動(dòng)。UCC2305有一個(gè)“NOTON”的邏輯輸出，當(dāng)燈還未點(diǎn)亮?xí)r為高電平，點(diǎn)亮后為低電平。將該輸出連到腳DIVPAUSE，點(diǎn)燈時(shí)使低頻逆變停止，直至燈徹底點(diǎn)亮。

圖4

    UCC2305的供電來自于一只6.8V的穩(wěn)壓管D8，它可以防止供電過電壓及有可能出現(xiàn)的反向供電。6.8V電壓接到VCC端，但器件工作的許多功能供電須來自于連接到腳BOOST的近似于10V的電壓。將腳PUMPOUT當(dāng)作一個(gè)交流信號(hào)和將外部的二極管當(dāng)作開關(guān)器件，通過電壓倍壓器，在腳BOOST可得到這個(gè)10V供電，滿足包括MOSFET驅(qū)動(dòng)等在內(nèi)的其它所有功能需要。用阻抗大于10kΩ的分壓器從腳VCC接到腳BAT，對(duì)芯片具有可靠的保護(hù)。

UCC2305控制器PWM振蕩器由腳ISET和腳OSC接地的電阻和電容決定振蕩頻率fOSC=2/R28C20。對(duì)于100kHz，R28應(yīng)為100kΩ、C20應(yīng)為200pF。UCC2305中所有電路均工作在R28所設(shè)置的偏置電流下，最佳工作狀態(tài)時(shí)應(yīng)在75～150kΩ之間。

UCC2305內(nèi)部含有復(fù)雜的電路來預(yù)測(cè)燈溫、補(bǔ)償燈溫，當(dāng)燈處于冷態(tài)時(shí)，給燈較高的功率，當(dāng)燈溫升高時(shí)減少功率到一般的水平。這樣可以滿足象汽車大燈等需要開啟時(shí)就很快達(dá)到滿亮度的要求。這個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)是在開燈時(shí)，通過檢測(cè)連接于腳SLOPEC和腳WARMUPC上的電容CS和CW上的充電電壓，預(yù)測(cè)燈溫，關(guān)燈時(shí)，這兩個(gè)電容以一個(gè)可控制的速度放電，放電電流通過UCC2305內(nèi)的電流源所設(shè)定?？刂七@些電容放電的能量來自于連接到BYPASS的一個(gè)電容C22存儲(chǔ)的能量。所需電容的值可以假定一個(gè)最大5μA的BYPASS電流、60s的放電時(shí)間以及5V最大可允許的下跌電壓，估算，即C=IΔt/ΔV=5μA60s/5V=60μF。CS及CW必須是精密薄膜電容，與燈的“時(shí)間－溫度”關(guān)系相匹配。

從冷燈峰值電流到熱燈峰值電流的額定值，通過腳ADJ的電壓控制，從腳ADJ到地連接一個(gè)電阻來設(shè)置這個(gè)電壓。冷燈的短路電流到熱燈的短路電流的值，也被這個(gè)電阻設(shè)置。

    腳VOUTSENSE的電壓比例于燈的電壓，UCC2305檢測(cè)腳VOUTSENSE的電壓，將它與內(nèi)部83mV的低門檻電壓和2V的高門檻電壓進(jìn)行比較，如果電壓不在這個(gè)范圍，說明燈還未點(diǎn)燃或者開路或者短路，IC將用接近250nA的電流拉升接在腳FLTC和地之間的電容C19的電壓。如果故障的時(shí)間足夠長，使C19的電壓超過5V，表明有災(zāi)害性故障，并關(guān)斷IC，直至從腳BOOST撤除供電。如果故障在C19達(dá)到5V之前查明，電容即被放電直至0V，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。放電電流50nA，放電時(shí)間比充電時(shí)間長5倍。正常工作的燈電壓在60～110V之間，短路時(shí)在10V，啟動(dòng)時(shí)最高限制在600V。

2．3 啟動(dòng)電路

普通熒光燈電子鎮(zhèn)流器的LC諧振電路雖然也能使HIDL啟動(dòng)，但并不滿足HIDL的需要。HPSL的啟動(dòng)需要3～4kV的觸發(fā)電壓，使電弧管擊穿，并提供足夠的能量，使輝光放電盡快轉(zhuǎn)化為弧光放電。對(duì)于HPSL啟動(dòng)器，有很多電路都有專利保護(hù)，雖然電路不算復(fù)雜，但在電路設(shè)計(jì)和元器件的選取上，都有一些技巧。一般的啟動(dòng)電路，在文獻(xiàn)[4]中有詳述。

3 結(jié)語

通過對(duì)高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器多種電路的研究，發(fā)現(xiàn)使用UCC2305作為HIDL控制器具有電路可靠、結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比較好等優(yōu)點(diǎn)。UCC2305控制器不但能完成從觸發(fā)點(diǎn)燈到燈穩(wěn)定的電流模式恒功率調(diào)節(jié)，還具有完善的短路、開路、弧光失常、燈點(diǎn)不亮等全部保護(hù)功能，還能對(duì)燈溫進(jìn)行預(yù)測(cè)和補(bǔ)償、輸出功率可調(diào)、可以直接驅(qū)動(dòng)MOSFET功率管，并且能夠工作在－40～105℃寬溫度范圍，適合惡劣環(huán)境。采用UCC2305制作的高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器，具有真正進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。用電子鎮(zhèn)流器替代傳統(tǒng)電感式鎮(zhèn)流器，不但可以節(jié)省大量的電能，還能實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)，減少電網(wǎng)污染，實(shí)現(xiàn)綠色照明。