高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器的研制

    引言

　　高壓鈉燈（HPSL）[1]是高強度放電燈（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，而被廣泛用于戶外照明，如廣場、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)低和自身損耗大的缺點。大量低功率因數(shù)電器的使用，對電網(wǎng)造成諧波污染，不但增加了供發(fā)電設備的負荷，使供發(fā)電設施得不到充分利用，而且嚴重影響其它用電設備的正常運行。

　　綠色照明事業(yè)在世界范圍的蓬勃發(fā)展，推進了電子鎮(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點燈工作，很好地解決了電感式鎮(zhèn)流器的缺點。因為，HPSL的功率相對于熒光燈大得多，用量也極大，所以，HPSL電子鎮(zhèn)流器的開發(fā)應用，具有更加深遠的意義。

　　1 對高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器的要求

　　HPSL電子鎮(zhèn)流器因使用場所和其本身的特性，要求較為嚴格。它的基本要求是：

　　1）較高的功率因數(shù)（≥0.99）；

　　2）適應溫度范圍－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的點燈觸發(fā)電壓，燈點亮后高壓須消除，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，廣場為400W，最高達1000W）；

　　7）對各種故障（燈短路、燈開路或無燈、弧光不正常、燈過壓、燈過流以及電路本身的故障）的識別及保護功能完善。

　　2 方案的選擇

　　能夠實現(xiàn)上述基本功能的方法有好多種，雖然許多廠商競相研制生產(chǎn)，但能做到實用較為困難，因為，簡單的電路難以滿足要求，復雜的電路成本昂貴。通過對HPSL電子鎮(zhèn)流器的大量研究，本文介紹采用美國UNITROD公司專門為HIDL控制器設計的專用芯片——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，電路較為簡單。

　　2．1 功率因數(shù)校正

　　實現(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、儲能電感L1、功率開關器件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柵極驅動器、7.5V基準電壓、總線預測器、加載賦能比較器、低電壓檢測器和過流比較器等。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引入這個正弦半波線電壓取樣，內部乘法器將此信號（設為B）與輸出電壓放大器的輸出（設為A）相乘，產(chǎn)生電流控制環(huán)的基準信號。同時正弦半波電壓又經(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，這個電壓送到UC3854B的腳8，在其乘法器中平方（此值設為C）。乘法器將實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的輸入可對線電壓的變化作出補償，使PFC能夠在85～255V的輸入電壓范圍內工作。R1是線電流取樣電阻，它的負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，提供了一個寬的帶寬、低偏置的電流放大器、具有快速響應的“能使”比較器、判斷基準好壞的比較器以及一個改進的乘法器/除法器，低電壓保護改為10V，啟動電壓為10.5V，而不再是UC3854的16V，啟動電流更低。

　　由于這方面的資料和文獻極多，本文不再作更詳細的敘述和計算表達。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集成了控制和驅動HIDL所有的功能需要，它適用于金屬鹵素燈（如汽車大燈、放映機燈等）、高壓汞燈和高壓鈉燈等高強度放電燈控制器的驅動和控制。它包含一個完全的電流模式脈寬調制器、一個燈功率調節(jié)器、燈溫補償器和所有故障保護。

   UCC2305的內部結構和功能如圖3所示。其單端驅動腳19（PWMOUT）可驅動正激式、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，可以驅動半橋和全橋電路。橋路輸出采用低頻交流，UCC2305內置分頻器將單端驅動的頻率（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在高頻電源供電時出現(xiàn)的放電電弧不穩(wěn)的現(xiàn)象，其機理是燈管內壓力波的脈動從管內壁反射回來，如果與高頻電流的脈動成分相位相同，則形成駐波，產(chǎn)生聲共振，輕則燈光抖動，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（其阻抗特性見圖5），在燈未點亮之前處于高阻，一旦外加高壓觸發(fā)點亮以后燈就導通，其兩端電壓迅速降低，燈電流增大，呈現(xiàn)負阻特性。如果還以平常的電壓加于燈上，燈將燒毀。而HIDL在剛啟動的冷態(tài)和長時間工作的熱態(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。由于是高端驅動，所以需將PWM信號電平移位，采用IR2117或者TLP250等IC均能實現(xiàn)。電流取樣采用電流互感器T1，因為開關頻率較高，因此只需很小的磁芯，初次級匝比為1：100。電流信號經(jīng)D10整流后送到UCC2305的腳23（ISENSE端）。在UCC2305中HIDL功率的調節(jié)是計算燈電流和電壓，指令適當?shù)妮斎腚娏鞅３譄艄β实暮愣ā６鵁舻碾妷河煞謮罕葹?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，這個信號送到芯片的腳5（LOADISENSE）。UCC2305的電流模式PWM類似于工業(yè)標準的UC3842和UCC3802電路，使用高增益開環(huán)放大器，LOADISENSE信號直接送入該放大器，放大器放大了預期燈電流和實際燈電流之差，并在反饋誤差放大器腳LPOWER產(chǎn)生一個粗略地比例于燈功率的輸出信號。開環(huán)放大器驅動一個高速PWM比較器，這個比較器將控制器的輸入電流，即腳23的ISENSE信號跟開環(huán)放大器的輸出電流比較，用這個信號設置占空比。因此，控制器的輸出調節(jié)在恒定的功率，以使燈光的強度相對恒定。

　　S3、L2和C14的確定在文獻[3]有詳細的計算，對于一個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。橋路的驅動由腳QOUT和QOUT輸出，它們均以50％的占空比工作，相差180

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