基于電流跟蹤控制的高壓鈉燈電子鎮流器研制

摘要：針對高壓鈉燈工作特點以及工作在高頻狀態下的缺陷，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；電子鎮流器；閉環；電流跟蹤

0??? 引言

??? 高壓鈉燈（HPS燈）是一種性能優異的高強度氣體放電燈（HID燈），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，高壓鈉燈也呈負V－I特性，需要鎮流器來抑制燈電流，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，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，電子鎮流器實質上是一個典型的AC/DC/AC變換電路。

圖1??? 電子鎮流器原理框圖

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控制，電流內環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，R_s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。考慮到400W高壓鈉燈二次觸發電壓在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

??? 電子鎮流器的本質上就是限制流過燈的電流。根據反饋控制規律，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，它由滯環比較器構成。給定電流信號i_g和電流反饋信號i_f之差i_g－i_f作為滯環比較器的輸入，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，i_L增大，當S₃(或D₃)導通時，i_L減小。設滯環比較器的環寬為ΔI，若電流反饋系數為k（=i_f/i_L），電流i_L在（i_g－ΔI）/k和（i_g＋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i_g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，i_g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i_L增大；到t₁時刻，i_L增大到比〔i_g(t₁)＋ΔI〕/k略大一點，滯環比較器動作，S₂關斷，電感L放電，i_L經電容C₂，二極管D₃續流；直到t₂時刻，下降到比〔i_g(t₂)－ΔI〕/k稍小一點，S₂再一次導通，i_L又將增大。i_g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，觸發時L兩端只能產生下正上負的觸發脈沖。M₁，M₂，M₃為三個邏輯控制信號，只有三個信號全為高電平時，才會產生高壓觸發脈沖。

圖5??? 觸發啟動電路

??? M₁在C₃上的電壓被充到一定的值，變為高電平。

??? 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；在燈恢復冷態后，M₂變為高電平，允許啟動。

??? 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電壓。這樣當L兩端產生高電壓時，S₂處于導通狀態，避免了觸發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高壓鈉燈電子鎮流器實驗結果表明電路工作穩定，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。所設計的觸發電路啟動快，且不需采取隔離措施。