基于电流跟踪控制的高压钠灯电子镇流器研制

基于电流跟踪控制的高压钠灯电子镇流器研制

摘要：针对高压钠灯工作特点以及工作在高频状态下的缺陷，采用电流跟踪技术，设计了一种低频高压钠灯电子镇流器，并设计了可靠的逻辑控制启动电路。最后，给出实验结果。

关键词：高压钠灯；电子镇流器；闭环；电流跟踪

0    引言

    高压钠灯（HPS灯）是一种性能优异的高强度气体放电灯（HID灯），其优点是光效高、寿命长、光色好，所以应用广泛。与所有的气体放电电光源一样，高压钠灯也呈负V－I特性，需要镇流器来抑制灯电流，而且启动时需要3～4kV的气体击穿电压。传统的电感镇流器体积大，功率因数低（只能达到0.3～0.4），而且对电网电压波动的适应能力不强，所以，研制性价比较高的电子镇流器以取代电感镇流器是大势所趋。现已研制的高压钠灯电子镇流器大都是高频电子镇流器，在高频状态下，高压钠灯容易熄弧，并存在声共振问题。为避免声共振，工作频率需要时刻围绕中心频率上下变化，但这给控制造成不小的困难，为此本文提出了一种基于电流跟踪控制的低频电子镇流器。

1    控制原理与电路分析

    电路原理框图如图1所示。主电路分为两级，第一级为整流及APFC(有源功率因数校正电路)，第二级为逆变电路。可以看出，电子镇流器实质上是一个典型的AC/DC/AC变换电路。

图1    电子镇流器原理框图

1.1    整流及APFC

    二极管不控整流的输入电压虽然是正弦的，但输入电流却严重畸变，大量使用会给电网造成严重危害。同时输入电流谐波生成的噪声也会影响电路运行。APFC能使电路输入功率因数提高到0.95以上；输入电流基本为正弦波，谐波含量大大减少。这里采用UC3854控制的Boost电路作为APFC电路（图2）。UC3854是美国Unitrode公司生产的高功率因数校正芯片，此芯片采用电压电流双闭环控制，电流内环使用平均电流模式控制。电压检测信号和同步信号相乘作为电流给定，R_s为电流检测电阻。输出电压可在较大范围内进行控制，根据后一级需要，这里控制在380V。UC3854以及控制电路的电源来自辅助电源，辅助电源是由脉宽调制器UC3844控制的反激变换器构成的，它可提供多路输出。

图2    有源功率因数校正（APFC）电路

1.2    逆变部分及电流反馈控制

    逆变电路是电子镇流器最重要的部分，通常采用半桥逆变或全桥逆变电路。半桥逆变电路的输出电压是全桥的一半，在功率管电流相等的情况下，全桥电路的输出功率是半桥的2倍，但多用2只功率管。考虑到400W高压钠灯二次触发电压在150～190V，且APFC输出电压为380V，所以，半桥电路输出的电压完全能够满足二次触发的需要，而且半桥电路与全桥电路功率管的电压应力相同，但前者成本比后者低，因此，在这里采用半桥逆变电路（图3）。

图3    半桥逆变主电路拓扑

    电子镇流器的本质上就是限制流过灯的电流。根据反馈控制规律，想要控制某个量，引入这个量的负反馈就可以。图3所示的逆变电路拓扑实际上仍然是一种高频变换器结构，为使流过高压钠灯的电流为低频电流，这里采用滞环比较电流跟踪型PWM控制。其原理如图3虚线框内所示，它由滞环比较器构成。给定电流信号i_g和电流反馈信号i_f之差i_g－i_f作为滞环比较器的输入，通过其输出来控制S₂和S₃的通断。设灯电流iL的方向如图3所示，当S₂（或D₂）导通时，i_L增大，当S₃(或D₃)导通时，i_L减小。设滞环比较器的环宽为ΔI，若电流反馈系数为k（=i_f/i_L），电流i_L在（i_g－ΔI）/k和（i_g＋ΔI）/k范围内呈锯齿状跟踪给定电流，如图4所示。为简单起见，电流给定信号取自电网电压正弦波信号。

图4    滞环比较方式电流跟踪波形

    S₂和S₃的切换有两种模式，分别是双极性切换和单极性切换。双极性切换时，无论给定电流i_g处于正半周期还是负半周期S₂与S₃都是互补通断。单极性切换时，i_g正半周时，S₃始终关断，S₂进行斩波；负半周时，S₂关断，S₃斩波。单极性切换原理分析见图4，即在t₀～t₁时段，S₂导通，电流i_L增大；到t₁时刻，i_L增大到比〔i_g(t₁)＋ΔI〕/k略大一点，滞环比较器动作，S₂关断，电感L放电，i_L经电容C₂，二极管D₃续流；直到t₂时刻，下降到比〔i_g(t₂)－ΔI〕/k稍小一点，S₂再一次导通，i_L又将增大。i_g处于负半周可作同样的分析。与双极性切换模式相比，单极性切换有以下优点：

    1）只有一只功率管动作，开关损耗是双极性切换的一半；

    2）主电路各物理量的动态应力，如dv/dt及di/dt小于双极性切换模式，因此，对控制电路的干扰小于双极性电路。

    但是单极性模式的控制电路要附加一些简单的逻辑控制电路。

    电感L的大小与滞环宽度2ΔI决定了开关频率的高低。当其它条件一定时，开关频率与电感L和滞环宽度的乘积成反比。因为功率MOSFET的开关频率很高，所以，用较小的电感即能满足要求。

2    启动电路的设计

    启动电路采用逻辑控制，不须采取高压隔离措施，简化了主电路，并且能瞬时启动。工作原理如图5所示。利用LC振荡原理很容易产生高频脉冲，主电路中续流电感L作为LC振荡器的副边，原副边匝数比设为1∶20。原边300V电压来自控制辅助电源，理论上副边能产生6kV的脉冲。因为LC振荡回路中串有晶闸管SCR，触发时L两端只能产生下正上负的触发脉冲。M₁，M₂，M₃为三个逻辑控制信号，只有三个信号全为高电平时，才会产生高压触发脉冲。

图5    触发启动电路

    M₁在C₃上的电压被充到一定的值，变为高电平。

    M₂用来判断是否有灯电流，有灯电流时为低电平，禁止启动；而且M2上的信号具有延时功能，以避免灯熄灭后出现热启动；在灯恢复冷态后，M₂变为高电平，允许启动。

    M₃与功率管S₂驱动信号同步，使得只有在S₂导通时才能产生触发电压。这样当L两端产生高电压时，S₂处于导通状态，避免了触发电压对功率管的破坏。

3    实验结果

    实验用钠灯型号为NG400，市电电压230V，动态存储示波器型号为TDS3012。进线端电压和电流波形如图6所示。电子镇流器的功率因数能达到0.97以上，谐波畸变也得到有效抑制，说明由UC3854构成的APFC性能良好。图7是稳定工作时灯电流波形，基本上是所要求的正弦波，电流幅值为6.5A，有效值为4.6A。实测进线段功率为412W，灯功率387W，所设计电子镇流器效率达到0.94。

图6    进线端电压电流波形

图7    灯电流波形

4    结语

    400W高压钠灯电子镇流器实验结果表明电路工作稳定，不存在声共振，基本达到恒功率要求。说明这种设计方案较为合理。所设计的触发电路启动快，且不需采取隔离措施。