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高压钠灯电子镇流器研制

引言

高压钠灯(HPS灯)是一种性能优异的高强度气体放电灯(HID灯),其优点是光效高、寿命长、光色好,所以应用广泛。与所有的气体放电电光源一样,高压钠灯也呈负V-I特性,需要镇流器来抑制灯电流,而且启动时需要3~4kV的气体击穿电压。传统的电感镇流器体积大,功率因数低(只能达到0.3~0.4),而且对电网电压波动的适应能力不强,所以,研制性价比较高的电子镇流器以取代电感镇流器是大势所趋。现已研制的高压钠灯电子镇流器大都是高频电子镇流器,在高频状态下,高压钠灯容易熄弧,并存在声共振问题。为避免声共振,工作频率需要时刻围绕中心频率上下变化,但这给控制造成不小的困难,为此本文提出了一种基于电流跟踪控制的低频电子镇流器


摘要:针对高压钠灯工作特点以及工作在高频状态下的缺陷,采用电流跟踪技术,设计了一种低频高压钠灯电子镇流器,并设计了可靠的逻辑控制启动电路。最后,给出实验结果。
关键词:高压钠灯;电子镇流器;闭环;电流跟踪


1 控制原理与电路分析

主电路分为两级,第一级为整流及APFC(有源功率因数校正电路),第二级为逆变电路。可以看出,电子镇流器实质上是一个典型的AC/DC/AC变换电路。

1.1 整流及APFC

二极管不控整流的输入电压虽然是正弦的,但输入电流却严重畸变,大量使用会给电网造成严重危害。同时输入电流谐波生成的噪声也会影响电路运行。APFC能使电路输入功率因数提高到0.95以上;输入电流基本为正弦波,谐波含量大大减少。这里采用UC3854控制的Boost电路作为APFC电路(图2)。UC3854是美国Unitrode公司生产的高功率因数校正芯片,此芯片采用电压电流双闭环控制,电流内环使用平均电流模式控制。电压检测信号和同步信号相乘作为电流给定,Rs为电流检测电阻。输出电压可在较大范围内进行控制,根据后一级需要,这里控制在380V。UC3854以及控制电路的电源来自辅助电源,辅助电源是由脉宽调制器UC3844控制的反激变换器构成的,它可提供多路输出。

1.2 逆变部分及电流反馈控制

逆变电路是电子镇流器最重要的部分,通常采用半桥逆变或全桥逆变电路。半桥逆变电路的输出电压是全桥的一半,在功率管电流相等的情况下,全桥电路的输出功率是半桥的2倍,但多用2只功率管。考虑到400W高压钠灯二次触发电压在150~190V,且APFC输出电压为380V,所以,半桥电路输出的电压完全能够满足二次触发的需要,而且半桥电路与全桥电路功率管的电压应力相同,但前者成本比后者低,因此,在这里采用半桥逆变电路。

电子镇流器的本质上就是限制流过灯的电流。根据反馈控制规律,想要控制某个量,引入这个量的负反馈就可以。逆变电路拓扑实际上仍然是一种高频变换器结构,为使流过高压钠灯的电流为低频电流,这里采用滞环比较电流跟踪型PWM控制。它由滞环比较器构成。给定电流信号ig和电流反馈信号if之差ig-if作为滞环比较器的输入,通过其输出来控制S2和S3的通断。设灯电流iL的方向,当S2(或D2)导通时,iL增大,当S3(或D3)导通时,iL减小。设滞环比较器的环宽为ΔI,若电流反馈系数为k(=if/iL),电流iL在(ig-ΔI)/k和(ig+ΔI)/k范围内呈锯齿状跟踪给定电流。为简单起见,电流给定信号取自电网电压正弦波信号。

S2和S3的切换有两种模式,分别是双极性切换和单极性切换。双极性切换时,无论给定电流ig处于正半周期还是负半周期S2与S3都是互补通断。单极性切换时,ig正半周时,S3始终关断,S2进行斩波;负半周时,S2关断,S3斩波。单极性切换原理,即在t0~t1时段,S2导通,电流iL增大;到t1时刻,iL增大到比〔ig(t1)+ΔI〕/k略大一点,滞环比较器动作,S2关断,电感L放电,iL经电容C2,二极管D3续流;直到t2时刻,下降到比〔ig(t2)-ΔI〕/k稍小一点,S2再一次导通,iL又将增大。ig处于负半周可作同样的分析。与双极性切换模式相比,单极性切换有以下优点:

1)只有一只功率管动作,开关损耗是双极性切换的一半;

2)主电路各物理量的动态应力,如dv/dt及di/dt小于双极性切换模式,因此,对控制电路的干扰小于双极性电路。

但是单极性模式的控制电路要附加一些简单的逻辑控制电路。

电感L的大小与滞环宽度2ΔI决定了开关频率的高低。当其它条件一定时,开关频率与电感L和滞环宽度的乘积成反比。因为功率MOSFET的开关频率很高,所以,用较小的电感即能满足要求。



2 启动电路的设计

启动电路采用逻辑控制,不须采取高压隔离措施,简化了主电路,并且能瞬时启动。工作原理如图5所示。利用LC振荡原理很容易产生高频脉冲,主电路中续流电感L作为LC振荡器的副边,原副边匝数比设为1∶20。原边300V电压来自控制辅助电源,理论上副边能产生6kV的脉冲。因为LC振荡回路中串有晶闸管SCR,触发时L两端只能产生下正上负的触发脉冲。M1,M2,M3为三个逻辑控制信号,只有三个信号全为高电平时,才会产生高压触发脉冲。

M1在C3上的电压被充到一定的值,变为高电平。

M2用来判断是否有灯电流,有灯电流时为低电平,禁止启动;而且M2上的信号具有延时功能,以避免灯熄灭后出现热启动;在灯恢复冷态后,M2变为高电平,允许启动。

M3与功率管S2驱动信号同步,使得只有在S2导通时才能产生触发电压。这样当L两端产生高电压时,S2处于导通状态,避免了触发电压对功率管的破坏。



3 实验结果

实验用钠灯型号为NG400,市电电压230V,动态存储示波器型号为TDS3012。进线端电压和电流波形如图6所示。电子镇流器的功率因数能达到0.97以上,谐波畸变也得到有效抑制,说明由UC3854构成的APFC性能良好。图7是稳定工作时灯电流波形,基本上是所要求的正弦波,电流幅值为6.5A,有效值为4.6A。实测进线段功率为412W,灯功率387W,所设计电子镇流器效率达到0.94。


4 结语

400W高压钠灯电子镇流器实验结果表明电路工作稳定,不存在声共振,基本达到恒功率要求。说明这种设计方案较为合理。所设计的触发电路启动快,且不需采取隔离措施。