600W高压钠灯电子镇流器的研制

摘要：研制了一种基于不定频率控制的高效、可靠的高压钠灯电子镇流器，采用设计频率调制技术消除了声共振，及简单可靠的谐振式启动电路及过流、过压和异常保护电路。
 
关键词：高压钠灯；声共振；频率调制；串联谐振
 
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0    引言

    高压钠灯（HPSL）是一种性能优异的高强度气体放电灯（HIDL），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，高压钠灯呈负V－I特性，需要镇流器来抑制灯电流，而且启动时需要5～20kV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，现已研制的600W高压钠灯高频电子镇流器采用了频率调制技术，使高压钠灯的电流工作频率时刻围绕中心频率上下变化。启动部分采用LC串联谐振电路产生高压，简单可靠。

1    整体控制策略

    电路原理框图如图1所示。主电路分为两级，第一级为整流及有源功率因数校正电路（APFC），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。辅助电源由UC3844组成的单端反激式电源构成，输出电压18V给芯片供电。

图1    600W电子镇流器整体结构图

2    整流和APFC部分

    交流电经二极管整流，虽然输入电压是正弦的，但输入电流却严重畸变，效率很低，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，使输入电流基本为正弦波，谐波含量大大减少。本文采用FAN7527B控制的Boost电路作为APFC电路如图2所示。FAN7527B是Fairchild Semiconductor公司生产的简单高效的功率因数校正器，内含R/C滤波器，故外围电路不需接R/C滤波器。变压器T1副边有两个作用：给芯片供电，同时作为电流过零的检测信号。此芯片采用电压电流双闭环控制，内环使用电流断续不定频率模式控制。电压检测信号（脚1）和同步信号（脚3）相乘作为电流给定，R5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400V，如图2所示。

图2    整流和APFC原理图

3    高频半桥逆变部分

    高频逆变是高压钠灯电子镇流器的重要组成部分，采用了半桥逆变变异形式，少用了两个电容，结构简单，节约了成本。只是电路的输出电压是全桥的一半，在同样输出功率的条件下，半桥的功率管电流比全桥大一倍，考虑到高压钠灯正常工作电压，半桥电路能完全满足其需求。如图3所示，其工作过程为电感L1和C9首先达到串联谐振，频率为200kHz，产生7kV高压，使高压钠灯点火，点火后高压钠灯导通，C9不起作用，由于C8>>C9，C8和电感不会谐振，起到了镇流作用，这时频率以35kHz为中心上下波动2kHz范围，1min后高压钠灯达到恒定功率正常运行。半桥输出方波，经C8和L1镇流后变为高频交流电。

    如图3所示，半桥驱动芯片采用美国硅通公司生产的电压型PWM控制器SG3525A，是一种性能优良，功能齐全，通用性很强的单片集成PWM控制器。该芯片简单可靠，且使用方便灵活，通过适当外接电路，不仅能够实现PWM控制，还可以完成输入软启动、过载限流、过压保护、死区调节等多种功能。其工作原理为将触发脉冲变压器T3输出的两路互补的PWM驱动脉冲送至开关管S2、S3的栅极，控制两只功率管交替工作。SG3525A内 的 振 荡 器 外 接 时 标 电 容 CT， 通 过 电 阻RD提 供 放 电 通 路 。 改 变RD的 数 值 则 可 以 改 变CT的 放 电 时 间 ， 同 时 可 以 改 变 死 区 时 间 。 而 CT的 充电 电 流 则 由RT规 定 的 电 流 源 决 定 ， SG3525A的脚 8起 到 输 入 软 启 动 作 用 。 SG3525A的 振 荡 频 率f=1/[CT×(0.7RT＋RD)]。

图3    半桥高频逆变电路

4    声共振的抑制

    在采用高频电源点燃HPSL时，管内压力波的脉动从管内壁反射回来，若与灯的高频电流的脉动成分相位相同，则形成驻波，产生声共振。只要镇流器的工作频率与其中的一个声振荡频率相同，就有可能产生声共振。

    研究表明，在8kHz～150kHz频率范围内，易产生声共振。为此，对声共振的抑制国外文献提出了许多方法，如直流叠加法、周期换相法和变频调制法，但因电路复杂及成本增加较多而不能投入批量生产。而在适当的高频下，频率调制驱动技术是一种简单实用的新型技术，它在消除高压钠灯电子镇流器中的声频共振现象时效果很好。

    如图4所示，本次实验采用了555定时器组成多谐振荡器，发出频率为2kHz的方波，使S4不断地导通和关断，促使SG3525A的振荡器的脚6电平发生变化，结果就使镇流器的工作频率时刻围绕中心频率(35kHz)变化，有时即使遇到声频振荡频率，由于还来不及形成驻波，频率就变化了，这样避免了声共振。

图4    声共振的抑制原理图

5    实验结果

    根据以上的设计，实验用高压钠灯型号为NG400，数字存储示波器型号为DS－5000系列。如图5所示，其启动电压为7kV，脉冲宽度小于等于0.2μs。图6是高压钠灯正常工作时的电压电流输出波形，通道1为电压输出波形，通道2为电流输出波形；电压有效值为128V，电流最大值为9.8A，有效值为4.7A。

图5    高压钠灯启动波形

图6    高压钠灯正常工作时的电压电流输出波形

6    结语

    600W的太阳能高压钠灯电子镇流器的实验结果表明其电路工作稳定，采用频率调制技术消除了声共振，基本实现恒功率控制，高压钠灯可靠稳定的工作，说明达到了相关技术要求，并且电路启动快，简单可靠。
 

 
 
 
 
 
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