太陽能低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器研發(fā)解決方案

0 引言

太陽能作為綠色能源將是國家大力推廣的節(jié)能項(xiàng)目，而低壓鈉燈是照明工程節(jié)能改造及太陽能照明系統(tǒng)的最佳光源，它以其高光效200lm/W及長壽命，視見分辨率高，對比度好，不受環(huán)境溫度影響的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于道路、高架橋、隧道和交叉路口等能見度高和顯色性要求不高的地方。低壓鈉燈還具有不眩目，不會(huì)因環(huán)境氣體的蝕化作用而產(chǎn)生燈具光學(xué)系統(tǒng)過早損壞的現(xiàn)象。過去低壓鈉燈使用的是傳統(tǒng)自耦漏磁電感鎮(zhèn)流器，因自身體積大、重量高，自身損耗大（18%），在工頻供電的條件下，有明顯的頻閃效應(yīng)，從而影響了低壓鈉燈的光放提高，且其輸出功率隨供電電壓的波動(dòng)變化較大，嚴(yán)重影響燈管的工作壽命，能耗特高等缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了低壓鈉燈的廣泛應(yīng)用。研制高效、環(huán)保、體積小、長壽命、性價(jià)比高的太陽能低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器已成為大勢所趨。與所有的鎮(zhèn)流器一樣，低壓鈉燈呈現(xiàn)負(fù)阻特性。

l 系統(tǒng)控制策略

太陽能低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器是由太陽電池陣列來供電，由于太陽電池陣列具有非線性的電源特性，為保證陣列在任何日照和環(huán)境溫度下都將提供相應(yīng)可能的最大功率輸出，因此，要求鎮(zhèn)流器白天能自動(dòng)跟蹤最大功率點(diǎn)給蓄電池充電，晚上經(jīng)光控元件檢測太陽電池電壓和定時(shí)器件來決定是否自動(dòng)點(diǎn)亮低壓鈉燈。

太陽能低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。主電路基本分為二部分，第一部分足DC/DC升壓電路，第二部分為逆變部分。從本質(zhì)上講，它是一個(gè)DC/DC/AC變換電路。

2 DC/DC升壓電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

如圖2所示，DC/DC驅(qū)動(dòng)芯片采用美國硅通公司生產(chǎn)的電壓型PWM控制器SG3525A，SG3525A是一種性能優(yōu)良，功能齊全，通用性很強(qiáng)的單片集成PWM控制器，該芯片簡單可靠且使用方便靈活，通過外接適當(dāng)電路，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)PWM控制，還可以完成輸入軟啟動(dòng)、過載限流、欠壓保護(hù)、死區(qū)調(diào)節(jié)等多種功能。

其工作原理為將升壓變壓器的中心抽頭接于正電源，兩路相反的PWM驅(qū)動(dòng)脈沖送至開關(guān)管S16、S17的基極，從而控制兩只功率管交替工作，得到的方波交流電壓經(jīng)變壓器輸出，經(jīng)電感L16和電容濾波得到360V直流。電流檢測電阻(R41//R42)得到的電壓接到SG3525A的腳10來實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。R37、R38和R45為電壓采樣，構(gòu)成電壓負(fù)反饋，因而提高了電路的可靠性。SG3525A及控制電路的電源都來自蓄電池，D16為防反接二極管。DC/DC從12V蓄電池電壓升到360V直流電，供后級(jí)鎮(zhèn)流電路點(diǎn)燈。

3 高頻鎮(zhèn)流器電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)低壓鈉燈的特點(diǎn)，對電子鎮(zhèn)流器有以下要求。

1)給燈的兩電極間提供足夠高的啟動(dòng)電壓，使燈正常點(diǎn)火(低壓鈉燈的啟動(dòng)電壓低于1500V)。

2)在低壓鈉燈點(diǎn)火進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作后，應(yīng)確保燈能穩(wěn)定工作，要為燈提供一個(gè)大小合適且穩(wěn)定的工作電流。

電子鎮(zhèn)流器的輸出功率、施加于燈兩端的電壓和燈的實(shí)際工作電流必須與配接的燈參數(shù)相匹配。

3)必須將電流諧波含量控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限定值以內(nèi)，以防止對電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染，并獲得高功率因數(shù)。

4)必須具備較高的安全性和可靠性。

高頻鎮(zhèn)流器電路采用了集成電路驅(qū)動(dòng)芯片IR2153，它能提供兩路非常干凈的可驅(qū)動(dòng)半橋逆變電路中上下兩個(gè)MOSFET功率開關(guān)管的信號(hào)。這種集成電路(即IC芯片)是自激的，含有類似555定時(shí)器的RC振蕩器，其振蕩頻率可由改變外接的RC組件的參數(shù)予以調(diào)整。此外，集成電路還有許多其它優(yōu)點(diǎn)，如：便于調(diào)光、引入無功耗預(yù)熱啟動(dòng)、增加保護(hù)功能等。

如圖3所示，其工作原理為：經(jīng)前級(jí)升壓電路得到直流360V電壓，啟動(dòng)時(shí)經(jīng)R20向電容C18充電，當(dāng)充到IR2153的啟動(dòng)電壓時(shí)，芯片正常工作，產(chǎn)生PWM波來驅(qū)動(dòng)兩只MOSFET，使之輪流導(dǎo)通與截止，在其中心點(diǎn)VS(腳6)輸出幅度約為直流電壓的一半，即360V/2，其占空比約為50％的方波信號(hào)，經(jīng)電感L1及電容C22和C24給燈管提供啟輝信號(hào)。S6導(dǎo)通時(shí)，VCC通過自舉二極管D5對自舉電容C19充電，使VB(腳8)電壓比H0(腳7)電壓高出VCC，為lC內(nèi)部高端驅(qū)動(dòng)級(jí)提供直流電源。接于腳6的R24、C23串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)起阻尼作用，可以減小方波輸出前沿的噪聲輻射，也有對S5、S6的續(xù)流作用。同時(shí)它將半橋中點(diǎn)電壓通過D15、D16整流，供給IR2153的VCC(腳I)直流電壓，不再由R20降壓供給，以減小功耗。

低壓鈉燈啟動(dòng)電路采用了LC串聯(lián)諧振變換器，它是一種普遍應(yīng)用于電子鎮(zhèn)流器的電路拓?fù)?，特別適合在熒光燈、低壓鈉燈等電子鎮(zhèn)流器中使用。它結(jié)構(gòu)簡單，便于設(shè)計(jì)，可靠性高，可以滿足燈啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)工作的要求。LC諧振變換器由諧振電感L1、串聯(lián)諧振電容C22和并聯(lián)諧振電容C24組成，在低壓鈉燈啟動(dòng)前，由于低壓鈉燈無燈絲，并且電弧管中填充的隋性氣體未氣化，所以燈處于相當(dāng)高的阻抗?fàn)顟B(tài)，可以認(rèn)為燈處于開路狀態(tài)。在半橋LC諧振變換器中，串聯(lián)諧振電容C22，和并聯(lián)諧振電容C24共同串聯(lián)在一起和諧振電感L1在交流電源驅(qū)動(dòng)下諧振，從而在C24兩端產(chǎn)生高電壓；在穩(wěn)態(tài)工作的半橋LC諧振變換器中，串聯(lián)諧振電容C22和諧振電感L1在交流電源驅(qū)動(dòng)下為燈負(fù)載供電，提供穩(wěn)態(tài)工作所需的燈端電樂和燈電流，在并聯(lián)諧振電容C24中通過很小的旁路電流。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器中采用了新型的異常保護(hù)電路和短路保護(hù)電路。如圖4所示，在不接低壓鈉燈的情況下，在100ms的時(shí)間內(nèi)電源先啟動(dòng)后關(guān)斷，其中通道1為低壓鈉燈電壓波形，通道2為半橋式逆變器芯片供電電源。在低壓鈉燈正常工作時(shí)，如燈突然斷開或接觸不良，即燈開路的情況下的波形圖，如圖5所示。同樣半橋式逆變器芯片IR2153供電電源斷開，半橋逆變器停止工作。圖5中通道l為低壓鈉燈正常工作電壓波形，通道2也為半橋式逆變器芯片供電電源。這樣不僅保護(hù)了MOSFET功率管不因嚴(yán)重發(fā)熱而損壞，而且還能在燈開路的情況下使半橋逆變器停止工作，節(jié)約電能。

圖6為低壓鈉燈啟動(dòng)波形圖，由圖6可以看出，其啟動(dòng)電壓最高值為4lOV，滿足了55W低壓鈉燈最低啟動(dòng)電壓的要求，其啟動(dòng)周期為1s，可以滿足低壓鈉燈多次可靠觸發(fā)啟動(dòng)。

圖7為低壓鈉燈正常工作電壓、電流波形圖，圖7通道l為其正常工作電壓波形圖，電壓有效值為105V，通道2為其正常工作電流波形圖，電流有效值為O.50A，最大值為0.7A，功率為53W。

實(shí)驗(yàn)用了一節(jié)12V的蓄電池供電，經(jīng)DC/DC升壓電路將12V升到穩(wěn)定的360V，實(shí)驗(yàn)用低壓鈉燈型號(hào)為PHLIPS公司的55W BY22d，數(shù)字存儲(chǔ)示波器型號(hào)為DS-5000系列。研制的具有商品化的太陽能低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器如圖8所示，由于低壓鈉燈應(yīng)用于街道照明引線不能太長，采用了前極升壓電路與后極高頻鎮(zhèn)流電路分開沒計(jì)的方案。

5 結(jié)語

55W的太陽能低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器經(jīng)老化及高低溫實(shí)驗(yàn)表明電路工作穩(wěn)定，各種保護(hù)工作可靠，基本實(shí)現(xiàn)恒功率控制。低壓鈉燈可靠穩(wěn)定的工作，說明達(dá)到了相關(guān)技術(shù)要求，并且啟動(dòng)電路能多次可靠啟動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單。