基于電流跟蹤控制的高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器研制

摘要：針對(duì)高壓鈉燈工作特點(diǎn)以及工作在高頻狀態(tài)下的缺陷，采用電流跟蹤技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種低頻高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器，并設(shè)計(jì)了可靠的邏輯控制啟動(dòng)電路。最后，給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：高壓鈉燈；電子鎮(zhèn)流器；閉環(huán)；電流跟蹤

0??? 引言

??? 高壓鈉燈（HPS燈）是一種性能優(yōu)異的高強(qiáng)度氣體放電燈（HID燈），其優(yōu)點(diǎn)是光效高、壽命長、光色好，所以應(yīng)用廣泛。與所有的氣體放電電光源一樣，高壓鈉燈也呈負(fù)V－I特性，需要鎮(zhèn)流器來抑制燈電流，而且啟動(dòng)時(shí)需要3～4kV的氣體擊穿電壓。傳統(tǒng)的電感鎮(zhèn)流器體積大，功率因數(shù)低（只能達(dá)到0.3～0.4），而且對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的適應(yīng)能力不強(qiáng)，所以，研制性價(jià)比較高的電子鎮(zhèn)流器以取代電感鎮(zhèn)流器是大勢所趨。現(xiàn)已研制的高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器大都是高頻電子鎮(zhèn)流器，在高頻狀態(tài)下，高壓鈉燈容易熄弧，并存在聲共振問題。為避免聲共振，工作頻率需要時(shí)刻圍繞中心頻率上下變化，但這給控制造成不小的困難，為此本文提出了一種基于電流跟蹤控制的低頻電子鎮(zhèn)流器。

1??? 控制原理與電路分析

??? 電路原理框圖如圖1所示。主電路分為兩級(jí)，第一級(jí)為整流及APFC(有源功率因數(shù)校正電路)，第二級(jí)為逆變電路。可以看出，電子鎮(zhèn)流器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)典型的AC/DC/AC變換電路。

圖1??? 電子鎮(zhèn)流器原理框圖

1.1??? 整流及APFC

??? 二極管不控整流的輸入電壓雖然是正弦的，但輸入電流卻嚴(yán)重畸變，大量使用會(huì)給電網(wǎng)造成嚴(yán)重危害。同時(shí)輸入電流諧波生成的噪聲也會(huì)影響電路運(yùn)行。APFC能使電路輸入功率因數(shù)提高到0.95以上；輸入電流基本為正弦波，諧波含量大大減少。這里采用UC3854控制的Boost電路作為APFC電路（圖2）。UC3854是美國Unitrode公司生產(chǎn)的高功率因數(shù)校正芯片，此芯片采用電壓電流雙閉環(huán)控制，電流內(nèi)環(huán)使用平均電流模式控制。電壓檢測信號(hào)和同步信號(hào)相乘作為電流給定，R_s為電流檢測電阻。輸出電壓可在較大范圍內(nèi)進(jìn)行控制，根據(jù)后一級(jí)需要，這里控制在380V。UC3854以及控制電路的電源來自輔助電源，輔助電源是由脈寬調(diào)制器UC3844控制的反激變換器構(gòu)成的，它可提供多路輸出。

圖2??? 有源功率因數(shù)校正（APFC）電路

1.2??? 逆變部分及電流反饋控制

??? 逆變電路是電子鎮(zhèn)流器最重要的部分，通常采用半橋逆變或全橋逆變電路。半橋逆變電路的輸出電壓是全橋的一半，在功率管電流相等的情況下，全橋電路的輸出功率是半橋的2倍，但多用2只功率管。考慮到400W高壓鈉燈二次觸發(fā)電壓在150～190V，且APFC輸出電壓為380V，所以，半橋電路輸出的電壓完全能夠滿足二次觸發(fā)的需要，而且半橋電路與全橋電路功率管的電壓應(yīng)力相同，但前者成本比后者低，因此，在這里采用半橋逆變電路（圖3）。

圖3??? 半橋逆變主電路拓?fù)?/font>

??? 電子鎮(zhèn)流器的本質(zhì)上就是限制流過燈的電流。根據(jù)反饋控制規(guī)律，想要控制某個(gè)量，引入這個(gè)量的負(fù)反饋就可以。圖3所示的逆變電路拓?fù)鋵?shí)際上仍然是一種高頻變換器結(jié)構(gòu)，為使流過高壓鈉燈的電流為低頻電流，這里采用滯環(huán)比較電流跟蹤型PWM控制。其原理如圖3虛線框內(nèi)所示，它由滯環(huán)比較器構(gòu)成。給定電流信號(hào)i_g和電流反饋信號(hào)i_f之差i_g－i_f作為滯環(huán)比較器的輸入，通過其輸出來控制S₂和S₃的通斷。設(shè)燈電流iL的方向如圖3所示，當(dāng)S₂（或D₂）導(dǎo)通時(shí)，i_L增大，當(dāng)S₃(或D₃)導(dǎo)通時(shí)，i_L減小。設(shè)滯環(huán)比較器的環(huán)寬為ΔI，若電流反饋系數(shù)為k（=i_f/i_L），電流i_L在（i_g－ΔI）/k和（i_g＋ΔI）/k范圍內(nèi)呈鋸齒狀跟蹤給定電流，如圖4所示。為簡單起見，電流給定信號(hào)取自電網(wǎng)電壓正弦波信號(hào)。

圖4??? 滯環(huán)比較方式電流跟蹤波形

??? S₂和S₃的切換有兩種模式，分別是雙極性切換和單極性切換。雙極性切換時(shí)，無論給定電流i_g處于正半周期還是負(fù)半周期S₂與S₃都是互補(bǔ)通斷。單極性切換時(shí)，i_g正半周時(shí)，S₃始終關(guān)斷，S₂進(jìn)行斬波；負(fù)半周時(shí)，S₂關(guān)斷，S₃斬波。單極性切換原理分析見圖4，即在t₀～t₁時(shí)段，S₂導(dǎo)通，電流i_L增大；到t₁時(shí)刻，i_L增大到比〔i_g(t₁)＋ΔI〕/k略大一點(diǎn)，滯環(huán)比較器動(dòng)作，S₂關(guān)斷，電感L放電，i_L經(jīng)電容C₂，二極管D₃續(xù)流；直到t₂時(shí)刻，下降到比〔i_g(t₂)－ΔI〕/k稍小一點(diǎn)，S₂再一次導(dǎo)通，i_L又將增大。i_g處于負(fù)半周可作同樣的分析。與雙極性切換模式相比，單極性切換有以下優(yōu)點(diǎn)：

??? 1）只有一只功率管動(dòng)作，開關(guān)損耗是雙極性切換的一半；

??? 2）主電路各物理量的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，如dv/dt及di/dt小于雙極性切換模式，因此，對(duì)控制電路的干擾小于雙極性電路。

??? 但是單極性模式的控制電路要附加一些簡單的邏輯控制電路。

??? 電感L的大小與滯環(huán)寬度2ΔI決定了開關(guān)頻率的高低。當(dāng)其它條件一定時(shí)，開關(guān)頻率與電感L和滯環(huán)寬度的乘積成反比。因?yàn)楣β?a href="http://www.asorrir.com/tags/mosfet/" target="_blank">MOSFET的開關(guān)頻率很高，所以，用較小的電感即能滿足要求。

2??? 啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

??? 啟動(dòng)電路采用邏輯控制，不須采取高壓隔離措施，簡化了主電路，并且能瞬時(shí)啟動(dòng)。工作原理如圖5所示。利用LC振蕩原理很容易產(chǎn)生高頻脈沖，主電路中續(xù)流電感L作為LC振蕩器的副邊，原副邊匝數(shù)比設(shè)為1∶20。原邊300V電壓來自控制輔助電源，理論上副邊能產(chǎn)生6kV的脈沖。因?yàn)?I>LC振蕩回路中串有晶閘管SCR，觸發(fā)時(shí)L兩端只能產(chǎn)生下正上負(fù)的觸發(fā)脈沖。M₁，M₂，M₃為三個(gè)邏輯控制信號(hào)，只有三個(gè)信號(hào)全為高電平時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生高壓觸發(fā)脈沖。

圖5??? 觸發(fā)啟動(dòng)電路

??? M₁在C₃上的電壓被充到一定的值，變?yōu)楦唠娖健?

??? M₂用來判斷是否有燈電流，有燈電流時(shí)為低電平，禁止啟動(dòng)；而且M2上的信號(hào)具有延時(shí)功能，以避免燈熄滅后出現(xiàn)熱啟動(dòng)；在燈恢復(fù)冷態(tài)后，M₂變?yōu)楦唠娖剑试S啟動(dòng)。

??? M₃與功率管S₂驅(qū)動(dòng)信號(hào)同步，使得只有在S₂導(dǎo)通時(shí)才能產(chǎn)生觸發(fā)電壓。這樣當(dāng)L兩端產(chǎn)生高電壓時(shí)，S₂處于導(dǎo)通狀態(tài)，避免了觸發(fā)電壓對(duì)功率管的破壞。

3??? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

??? 實(shí)驗(yàn)用鈉燈型號(hào)為NG400，市電電壓230V，動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)示波器型號(hào)為TDS3012。進(jìn)線端電壓和電流波形如圖6所示。電子鎮(zhèn)流器的功率因數(shù)能達(dá)到0.97以上，諧波畸變也得到有效抑制，說明由UC3854構(gòu)成的APFC性能良好。圖7是穩(wěn)定工作時(shí)燈電流波形，基本上是所要求的正弦波，電流幅值為6.5A，有效值為4.6A。實(shí)測進(jìn)線段功率為412W，燈功率387W，所設(shè)計(jì)電子鎮(zhèn)流器效率達(dá)到0.94。