高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器的研制

    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(zhǎng)，而被廣泛用于戶外照明，如廣場(chǎng)、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?yè)p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(kāi)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(chǎng)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(chǎng)為400W，最高達(dá)1000W）；

　　7）對(duì)各種故障（燈短路、燈開(kāi)路或無(wú)燈、弧光不正常、燈過(guò)壓、燈過(guò)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(jìng)相研制生產(chǎn)，但能做到實(shí)用較為困難，因?yàn)?，?jiǎn)單的電路難以滿足要求，復(fù)雜的電路成本昂貴。通過(guò)對(duì)HPSL電子鎮(zhèn)流器的大量研究，本文介紹采用美國(guó)UNITROD公司專門(mén)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(jiǎn)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(kāi)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。

 

　　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(guò)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(lái)，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(jiàn)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(zhǎng)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_(kāi)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?。而燈的電壓由分壓比?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(kāi)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(kāi)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(kāi)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

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