600W高壓鈉燈電子鎮流器的研制

分類：技術教程日期：2009-06-08 11:29:46 來源：

　高壓鈉燈（HPSL）是一種性能優異的高強度氣體放電燈（HIDL），其優點是光效高、壽命長、光色好，所以應用廣泛。與所有的氣體放電電光源一樣，高壓鈉燈呈負V－I特性，需要鎮流器來抑制燈電流，而且啟動時需要5～20kV的氣體擊穿電壓。傳統的電感鎮流器體積大，功率因數低（只能達到0.3～0.4），而且對電網電壓波動的適應能力不強，所以，研制性價比較高的電子鎮流器以取代電感鎮流器是大勢所趨。現已研制的高壓鈉燈電子鎮流器大都是高頻電子鎮流器，在高頻狀態下，高壓鈉燈容易熄弧，并存在聲共振問題。為避免聲共振，現已研制的600W高壓鈉燈高頻電子鎮流器采用了頻率調制技術，使高壓鈉燈的電流工作頻率時刻圍繞中心頻率上下變化。啟動部分采用LC串聯諧振電路產生高壓，簡單可靠。

1 整體控制策略

　電路原理框圖如圖1所示。主電路分為兩級，第一級為整流及有源功率因數校正電路（APFC），第二級為逆變電路。可以看出，電子鎮流器實質上是一個典型的AC/DC/AC變換電路。輔助電源由UC3844組成的單端反激式電源構成，輸出電壓18V給芯片供電。

圖1 600W電子鎮流器整體結構圖

2 整流和APFC部分

　交流電經二極管整流，雖然輸入電壓是正弦的，但輸入電流卻嚴重畸變，效率很低，大量使用會給電網造成嚴重危害，同時輸入電流諧波生成的噪聲也會影響電路運行。APFC能使電路輸入功率因數提高到0.95以上，使輸入電流基本為正弦波，諧波含量大大減少。本文采用FAN7527B控制的Boost電路作為APFC電路如圖2所示。FAN7527B是Fairchild Semiconductor公司生產的簡單高效的功率因數校正器，內含R/C濾波器，故外圍電路不需接R/C濾波器。變壓器T1副邊有兩個作用：給芯片供電，同時作為電流過零的檢測信號。此芯片采用電壓電流雙閉環控制，內環使用電流斷續不定頻率模式控制。電壓檢測信號（腳1）和同步信號（腳3）相乘作為電流給定，R5為電流檢測電阻。輸出電壓可在較大范圍內進行控制，根據后一級需要，這里控制在400V，如圖2所示。

圖2 整流和APFC原理圖

3 高頻半橋逆變部分

　高頻逆變是高壓鈉燈電子鎮流器的重要組成部分，采用了半橋逆變變異形式，少用了兩個電容，結構簡單，節約了成本。只是電路的輸出電壓是全橋的一半，在同樣輸出功率的條件下，半橋的功率管電流比全橋大一倍，考慮到高壓鈉燈正常工作電壓，半橋電路能完全滿足其需求。如圖3所示，其工作過程為電感L₁和C₉首先達到串聯諧振，頻率為200kHz，產生7kV高壓，使高壓鈉燈點火，點火后高壓鈉燈導通，C₉不起作用，由于C₈>>C₉，C₈和電感不會諧振，起到了鎮流作用，這時頻率以35kHz為中心上下波動2kHz范圍，1min后高壓鈉燈達到恒定功率正常運行。半橋輸出方波，經C₈和L₁鎮流后變為高頻交流電。

　如圖3所示，半橋驅動芯片采用美國硅通公司生產的電壓型PWM控制器SG3525A，是一種性能優良，功能齊全，通用性很強的單片集成PWM控制器。該芯片簡單可靠，且使用方便靈活，通過適當外接電路，不僅能夠實現PWM控制，還可以完成輸入軟啟動、過載限流、過壓保護、死區調節等多種功能。其工作原理為將觸發脈沖變壓器T₃輸出的兩路互補的PWM驅動脈沖送至開關管S₂、S₃的柵極，控制兩只功率管交替工作。SG3525A內的振蕩器外接時標電容 CT，通過電阻R_D提供放電通路。改變R_D的數值則可以改變C_T的放電時間，同時可以改變死區時間。而 CT的充電電流則由R_T規定的電流源決定， SG3525A的腳 8起到輸入軟啟動作用。 SG3525A的振蕩頻率f=1/[C_T×(0.7R_T＋R_D)]。

圖3 半橋高頻逆變電路

4 聲共振的抑制

　在采用高頻電源點燃HPSL時，管內壓力波的脈動從管內壁反射回來，若與燈的高頻電流的脈動成分相位相同，則形成駐波，產生聲共振。只要鎮流器的工作頻率與其中的一個聲振蕩頻率相同，就有可能產生聲共振。

　研究表明，在8kHz～150kHz頻率范圍內，易產生聲共振。為此，對聲共振的抑制國外文獻提出了許多方法，如直流疊加法、周期換相法和變頻調制法，但因電路復雜及成本增加較多而不能投入批量生產。而在適當的高頻下，頻率調制驅動技術是一種簡單實用的新型技術，它在消除高壓鈉燈電子鎮流器中的聲頻共振現象時效果很好。

　如圖4所示，本次實驗采用了555定時器組成多諧振蕩器，發出頻率為2kHz的方波，使S4不斷地導通和關斷，促使SG3525A的振蕩器的腳6電平發生變化，結果就使鎮流器的工作頻率時刻圍繞中心頻率(35kHz)變化，有時即使遇到聲頻振蕩頻率，由于還來不及形成駐波，頻率就變化了，這樣避免了聲共振。

圖4 聲共振的抑制原理圖

5 實驗結果

　根據以上的設計，實驗用高壓鈉燈型號為NG400，數字存儲示波器型號為DS－5000系列。如圖5所示，其啟動電壓為7kV，脈沖寬度小于等于0.2μs。圖6是高壓鈉燈正常工作時的電壓電流輸出波形，通道1為電壓輸出波形，通道2為電流輸出波形；電壓有效值為128V，電流最大值為9.8A，有效值為4.7A。