基于LCC諧振網(wǎng)絡的滑頻軟啟動電路設計
高壓鈉燈(HPS)是一種高強度氣體放電燈(HID),因其光效率高、顯色性好而倍受人們的青睞。其電子鎮(zhèn)流器作為"綠色照明工程"的重要組成部分,日益成為人們研究的熱點。但啟動問題卻是整個電路設計的難點。原因在于:
1、需要一個幅值在3kV~5kV,脈寬在2μs左右且具有足夠能量的電壓來觸發(fā)。幅值和脈寬過小,燈都無法完成湯姆遜放電→過渡放電→輝光放電→弧光放電過程。幅值過大,將對燈及電路產(chǎn)生巨大的沖擊,影響使用壽命;
2、必須保證諧振電路呈感性,以利于續(xù)流二極管和并聯(lián)電容實現(xiàn)功率管的軟開關,減小損耗;
3、盡量減小電流,防止因電感飽和而使諧振電壓和電流激增,沖擊開關管,影響整個電路的正常工作; 4、能有效避開老化對啟動的影響,使電路具有一定的自適應能力。
基于上述理由,根據(jù)LC串并聯(lián)諧振理論,本文提出了LCC諧振網(wǎng)絡滑頻軟啟動的解決方案,對此方案進行了理論分析和研究,并給出了工程設計方法。
LCC串并聯(lián)諧振理論分析
采用LCC諧振電路的逆變器及其工作原理
在中小功率的高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器中,考慮到成本等因素,常常使用如圖1所示的半橋逆變電路。
該逆變電路利用高壓鈉燈在諧振前后阻抗的變化特性來實現(xiàn)。首先,功率開關管Q1和Q2在PWM芯片的驅動下,以頻率f交替開通和關斷,LCC諧振電路就得到了幅值為Uab的高頻方波。隔直電容Cs再將輸入電壓中的直流分量濾除。然后,LC在驅動頻率f附近發(fā)生串聯(lián)諧振,產(chǎn)生瞬時高壓將HPS燈擊穿點亮;由于HPS具有負阻特性,鈉燈支路從諧振前的開路變?yōu)槎搪?。于是,電容Cr被放電電弧短接,LC自然失諧,震蕩停止。電路由于電感的限流作用而進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。
理論分析
圖2給出了LCC諧振半橋逆變器的簡化等效電路。其中,Lr和Cr為諧振電感和電容,Cs為隔直電容,Rlamp為HPS的等效電阻,Uab為諧振腔輸入的高頻方波電壓。電路具體分析如下:
諧振電壓分析
高頻方波Uab由傅立葉級數(shù)展開可得:
從方波的傅立葉級數(shù)分解可以看出,高次諧波的幅值遠遠低于基波電壓的幅值。加之電容Cr對高次諧波的抑制作用,所以
僅考慮基波時:
考慮基波和3次諧波時:
由Lr Cr串聯(lián)諧振可得自然諧振角頻率
LC諧振時,感性或容性無功電壓與總電壓之比稱為電路的品質因數(shù)。如下所示:
假設HPS燈兩端電壓為輸出,則可得到電路的傳遞函數(shù):
幅頻特性為:
相頻特性為:
當截止頻率介于基波和3次諧波之間時,將(2)式代入
燈端電壓:
當截止頻率介于3次和5次諧波之間時,將(3)式代入
燈端電壓:
通過仿真可知,高次諧波產(chǎn)生的諧振電壓與基波相近,電流比基波產(chǎn)生的電流小。因此,基波與高次諧波迭加的方法常常被用于大功率數(shù)字控制高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器中。而在中小功率的鈉燈鎮(zhèn)流器中,由于所需啟動電壓相對較低,往往直接用基波就可以滿足要求。同時,由于沒有高次諧波,所以燈端電壓波形更接近于正弦波。
諧振電流分析
在LCC網(wǎng)絡諧振時,由于開關管Q1和Q2的寄生電容較小,且諧振電流較大,因此,可以認為開關管Q1和Q2的回路電流和電感Lr上的諧振電流基本保持一致。所以,減小開關管上的回路電流也就是減小電感Lr上的諧振電流。而對于電感Lr上的電流:
可解得模 ;相角
將(7)式代入后可得:
如式(12)所示,在鈉燈功率一定的情況下,可以通過調整頻率f來減小諧振電流Ir,如果頻率已經(jīng)選定,則可以通過選取Cr將高次諧波引入諧振網(wǎng)絡,減少開關管Q1和Q2的電流,使開關管長期工作在安全裕量之內,提高鎮(zhèn)流器的使用壽命。
軟開關的實現(xiàn)
LCC諧振網(wǎng)絡具有明顯的低通濾波器的特性,Q越大,諧振電壓Ur越大。根據(jù)(11)式研究0、ω/ω0、Q之間的關系,可得:當Q1時,諧振電路在整個工作頻率內都呈感性;當Q>1,ωω0時,諧振電路呈容性;當ω>ω0時,諧振電路呈感性。當電路呈現(xiàn)容性時,電流超前于電壓,功率管存在開通損耗。當電路呈感性時,電流滯后于方波電壓,由于續(xù)流二極管和并聯(lián)電容Cm的作用,功率管實現(xiàn)了零電壓開通(ZVS)和零電流關斷(ZVS),減小了損耗。
定頻帶滑頻軟啟動
實際工程中,電感、電容、燈等元器件參數(shù)的不一致性,使得設計的驅動頻率與諧振頻率恰好保持一致是相當困難的。如果驅動頻率偏離自然諧振頻率較遠時,根據(jù)LC串聯(lián)諧振理論:一定的諧振頻率對應一定的諧振電壓,則可能出現(xiàn)諧振電壓不足,難以驅動燈的情況。為此,提出了定頻帶滑頻軟啟動的方法,以解決燈的有效觸發(fā)問題。
定頻帶滑頻軟啟動是指在LCC諧振網(wǎng)絡的自然諧振頻率ω0附近選取一個頻帶(ω1→ω2對應f1→f2),讓工作頻率從一點滑到另一點。根據(jù)LCC電壓增益特性,HPS燈兩端的諧振電壓將逐漸升高,直至到達某一點,負載端電壓恰好可以將燈內部的等離子體擊穿,完成放電過程。
電壓增益的最大值一般發(fā)生在固有頻率ω0附近偏左側。為了減小LCC網(wǎng)絡在ω0處發(fā)生諧振產(chǎn)生的高壓對元件的沖擊,同時,也為了適應燈、電容,以及電感等元件的老化、離散等造成的啟動故障,最好將滑頻帶f1→f2選取在固有頻率f0的右側。這樣有助于實現(xiàn)軟開關。
電路實現(xiàn)及實驗波形
電路實現(xiàn)
基于以上的理論分析,設計了如圖3所示的滑頻軟啟動電路。其工作原理如下:
在QD端為低電平時,三極管Q1處于截止狀態(tài),PWM控制芯片的輸出驅動頻率由R1、R2、R3和C1決定。隨著QD端電壓升高,電解電容C2被緩慢充電,Q1的基級電壓也逐漸增大,Q1由截止區(qū),經(jīng)放大區(qū)變到飽和區(qū)。當Q1到達飽和區(qū)時,電阻R3等效于被三極管Q1短接。此時,得到滑頻啟動的截止頻率為 即是滑頻軟啟動所設定的頻帶。
電子鎮(zhèn)流器從fmin啟動,經(jīng)電容充電過程,驅動頻率滑到fs(設fs為起振頻率),fs經(jīng)OutA和OutB口輸出PWM波,驅動如圖1所示的開關管Q1和Q2,產(chǎn)生高頻方波。諧振網(wǎng)絡的Lr和Cr在驅動頻率滑到f處發(fā)生串聯(lián)諧振,在HPS兩端產(chǎn)生一個瞬時高壓將燈點亮。同時,電容Cr也被負載短路,LC自然失諧。整個高壓鈉燈的LCC諧振滑頻軟啟動過程完成。
實驗波形
根據(jù)這個思路設計了70W太陽能高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器,并進行了反復實驗。實驗結果表明,該啟動方法穩(wěn)定可靠。圖4為該鎮(zhèn)流器LCC諧振滑頻軟啟動電路的實測波形。從圖中可以看到明顯的滑頻軟啟動過程。
結語
本文針對LCC諧振網(wǎng)絡進行了深入地分析和闡釋,給出了高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器滑頻軟啟動的設計方案,并在太陽能高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器上進行了實驗。結果表明,該啟動電路穩(wěn)定可靠,可以很好地解決各種中小功率高強度氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器的啟動問題。
電子鎮(zhèn)流器相關文章:電子鎮(zhèn)流器工作原理
評論