直流供电低压钠灯数字化电子镇流器设计

1 引 言

绿色照明工程要求采用效率高,寿命长,安全和性能稳定的照明电器产品。直流供电照明广泛用于车船照明、风力发电照明、太阳能照明、流动摊贩照明、停电应急照明、安全照明等方面。低压钠灯光效可达210lm/W,是目前光效最高的气体放电灯,具有很强的单色性。功率小于35W的低压钠灯主要用在光谱仪器中作为单色光源。35W以上低压钠灯主要用于照明或信号灯。在此针对110V直流电压采用升压变换器和半桥LCC逆变器设计了55W低压钠灯电子镇流器(Electronic Ballast,简称EB),并应用单片机实现了保护和恒定输出功率等功能。

2 电路结构及工作分析

图1示出110V直流供电的EB结构框图。在主电路中,直流电压经过Boost电路升压到350V,再经过半桥逆变,最后在LCC结构的负载匹配网络两端产生高频方波,从而驱动灯。控制电路中包括控制电源电路、Boost控制电路、半桥控制电路、检测电路和驱动电路。

图2示出主电路拓扑结构图。其中Boost变换器工作在电感电流连续工作状态。在该状态下,输入电流纹波随电感L1的增大而减小。

图3示出Boost变换器工作过程的等效电路与各点波形。

当开关管VQ1导通时,电感电流iL流过电感线圈L1,在L1未饱和之前,电流线性增加,电能以磁能的形式储存在电感线圈中。此时,电容C1放电,RLoad上流过电流Io,RLoad两端为输出电压Uo,极性上正下负。由于开关管导通,二极管阳极接电源US的负极,二极管承受反向电压,所以电容不能通过开关管放电,其工作状态见图3a。

当VQ1关断时,L1两端的电压极性改变,以保持iL不变。这样电感中变成一个输出电压为UL的电压源与US串联向负载供电,其工作状态见图3b。图3c为iL连续时各点的电压电流波形。在iL连续的工作状态,开关周期Ts最后时刻的电流值Ia,就是下一个Ts周期中iL的开始值。但是,如果电感量太小,电流线性下降快,即在电感中能量释放完时,尚未达到晶体管重新导通的时刻,这样就出现了电感电流的断续工作状态。图4示出半桥LCC工作状态及关键点波形。

当电路呈现感性时,电流滞后于电压。设在工作过程I时,VQ3截止,VQ2导通,电源向负载供电,负载电压电流正向增加。由于电流滞后电压,当VQ2关断后进入工作过程Ⅱ,电流仍将保持正向流动,正向电流在VQ3的反向并联二极管中续流,直到电流减小到零,在反向续流过程中,VQ3已经导通,因为二极管的电压箝位作用,VQ3是零电压开通。在VQ2截止,VQ3导通的工作过程Ⅲ中,电流反向增大,直到当VQ3关断后进入工作过程Ⅳ,VQ2的反向并联二极管续流。直到电流减小到零。同样在反向续流过程中,VQ2已经导通,因为二极管的电压箝位作用,VQ2也是零电压开通。

在气体放电灯的启动阶段,半桥LCC谐振变换器必须能够在灯的电极间提供足够高的启动电压,击穿弧隙,电离弧管内的气体产生辉光放电。在过渡阶段,半桥LCC谐振变换器需要提供足够的电流使辉光放电过渡到弧光放电并达到稳定。在灯的稳定状态,半桥LCC谐振变换器需提供额定的功率,使灯正常工作。

图5示出LCC谐振变换器的交流等效电路。交流驱动源可写成：

式中ω=2πf

对于交流等效电源来说,整个负载电路的复阻抗为：

相角为：

3 控制电路设计

设计的EB用Boost变换器采用由555定时器芯片与运算放大器组成的控制电路。图6a示出Boost变换器控制电路中的555定时器时钟电路。它能在555的脚3输出固定频率、固定占空比的方波。图6b示出Boost变换器控制电路中的555定时器PWM电路。它能根据脚2的时钟输入电压和脚5的调制输入电压在脚3输出PWM波形。Boost变换器的输出采用由集成运算放大器构成的PI调节器。以进行闭环控制。

半桥逆变器则采用单片机进行数字控制。单片机通过检测Boost输出直流电流来稳定输入功率和判断输出端是否短路,通过检测灯电压,控制启动点灯频率变化和判断输出端是否开路。通过检测半桥逆变器的输入电流,对灯功率进行闭环控制。单片机输出的5V方波信号经过驱动电路后,驱动半桥功率开关管。

4 负载匹配网络仿真分析

55W欧司朗低压钠灯LCC谐振变换器的设计要求是启动电压大于800V,方波峰峰值为350V,工作频率大于20kHz,额定灯功率为55W。应用PSPICE对负载匹配无源网络进行仿真,仿真电路参数：L=830μH,Cs=220nF,Cp=2.2nF。灯稳态工作的等效电阻设为220Ω,灯启动前的等效电阻设为40kΩ。图7示出仿真得到的灯电压uL与工作频率?z的关系。它包括灯启动电压和稳态工作电压。灯启动电压为800V时对应的fz=125kHz;灯稳态工作点电压为110V时对应的?z=40kHz。

5 实验结果

由上述设计成功地制成了实验室样机。所用灯泡为欧司朗55W低压钠灯,参考电参数：灯电压为110V,灯电流为0.5A,点灯电压为800V,L=820μH,Cs=220nF,Cp=2.2nF。图8示出单片机的程序流程图。

图9a示出灯启动过程中灯两端电压uL和灯电流iL的实验波形。可见,滑频阶段灯电压的上升过程和灯点亮后的电压迅速下降。图9b示出灯稳态工作时uL和iL的实验波形。可见,在高频时,两者的波形接近正弦波,但因工作点频率在串联负载谐振频率的右侧,所以与标准正弦波有些差异。图9c示出实测的低压钠灯动态伏-安特性。可见,高频时,低压钠灯在高频工作时接近阻性。

6 结论

设计了110V直流供电55W数字化低压钠灯电子镇流器,应用Boost变换器和半桥LCC逆变电路作为镇流器的主电路拓扑,设计了采用NE555和运算放大器的Boost变换器控制电路和采用单片机的半桥逆变控制电路。对负载匹配无源网络参数进行了仿真分析,对电子镇流器进行了试验研究。仿真和试验结果均证明该电子镇流器能够实现灯的可靠启动,以及保护功能和输出恒功率功能。