摘要：針對高壓鈉燈工作特點以及工作在高頻狀態(tài)下的缺陷，采用電流跟蹤技術，設計了一種低頻高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器，并設計了可靠的邏輯控制啟動電路。最后，給出實驗結果。

關鍵詞：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)異的高強度氣體放電燈(HID燈)，其優(yōu)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，高壓鈉燈也呈負V-I特性，需要鎮(zhèn)流器來抑制燈電流，而且啟動時需要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(zhèn)流器以取代電感鎮(zhèn)流器是大勢所趨?，F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，第一級為整流及APFC(有源功率因數校正電路)，第二級為逆變電路。可以看出，電子鎮(zhèn)流器實質上是一個典型的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，但輸入電流卻嚴重畸變，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;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公司生產的高功率因數校正芯片，此芯片采用電壓電流雙閉環(huán)控制，電流內環(huán)使用平均電流模式控制。電壓檢測信號和同步信號相乘作為電流給定，Rs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制器UC3844控制的反激變換器構成的，它可提供多路輸出。

圖2 有源功率因數校正(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?？紤]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 半橋逆變主電路拓撲

電子鎮(zhèn)流器的本質上就是限制流過燈的電流。根據反饋控制規(guī)律，想要控制某個量，引入這個量的負反饋就可以。圖3所示的逆變電路拓撲實際上仍然是一種高頻變換器結構，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虛線框內所示，它由滯環(huán)比較器構成。給定電流信號ig和電流反饋信號if之差ig-if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。設燈電流iL的方向如圖3所示，當S2(或D2)導通時，iL增大，當S3(或D3)導通時，iL減小。設滯環(huán)比較器的環(huán)寬為ΔI，若電流反饋系數為k(=if/iL)，電流iL在(ig-ΔI)/k和(ig+ΔI)/k范圍內呈鋸齒狀跟蹤給定電流，如圖4所示。為簡單起見，電流給定信號取自電網電壓正弦波信號。

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，無論給定電流ig處于正半周期還是負半周期S2與S3都是互補通斷。單極性切換時，ig正半周時，S3始終關斷，S2進行斬波;負半周時，S2關斷，S3斬波。單極性切換原理分析見圖4，即在t0～t1時段，S2導通，電流iL增大;到t1時刻，iL增大到比〔ig(t1)+ΔI〕/k略大一點，滯環(huán)比較器動作，S2關斷，電感L放電，iL經電容C2，二極管D3續(xù)流;直到t2時刻，下降到比〔ig(t2)-ΔI〕/k稍小一點，S2再一次導通，iL又將增大。ig處于負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：

1)只有一只功率管動作，開關損耗是雙極性切換的一半;

2)主電路各物理量的動態(tài)應力，如dv/dt及di/dt小于雙極性切換模式，因此，對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決定了開關頻率的高低。當其它條件一定時，開關頻率與電感L和滯環(huán)寬度的乘積成反比。因為功率MOSFET的開關頻率很高，所以，用較小的電感即能滿足要求。

2 啟動電路的設計

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

圖5 觸發(fā)啟動電路

M1在C3上的電壓被充到一定的值，變?yōu)楦唠娖健?/p>

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

M3與功率管S2驅動信號同步，使得只有在S2導通時才能產生觸發(fā)電壓。這樣當L兩端產生高電壓時，S2處于導通狀態(tài)，避免了觸發(fā)電壓對功率管的破壞。

3 實驗結果

實驗用鈉燈型號為NG400，市電電壓230V，動態(tài)存儲示波器型號為TDS3012。進線端電壓和電流波形如圖6所示。電子鎮(zhèn)流器的功率因數能達到0.97以上，諧波畸變也得到有效抑制，說明由UC3854構成的APFC性能良好。圖7是穩(wěn)定工作時燈電流波形，基本上是所要求的正弦波，電流幅值為6.5A，有效值為4.6A。實測進線段功率為412W，燈功率387W，所設計電子鎮(zhèn)流器效率達到0.94。

圖6 進線端電壓電流波形
 

圖7 燈電流波形

4 結語

400W高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器實驗結果表明電路工作穩(wěn)定，不存在聲共振，基本達到恒功率要求。說明這種設計方案較為合理。所設計的觸發(fā)電路啟動快，且不需采取隔離措施。