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基于电流跟踪控制的高压钠灯电子镇流器研制

时间：2023-10-19 08:11:41 其他范文收藏本文下载本文

基于电流跟踪控制的高压钠灯电子镇流器研制（共5篇）由网友“唯我吾尊”投稿提供，以下是小编整理过的基于电流跟踪控制的高压钠灯电子镇流器研制，欢迎阅读分享。

篇1：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

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。

(本网网收集整理)

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。

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，Rs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。

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）。

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ig和电流反馈信号if之差ig－if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，iL增大，当S3(或D3)导通时，iL减小。设滞环比较器的环宽为ΔI，若电流反馈系数为k（=if/iL），电流iL在（ig－ΔI）/k和（ig＋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。

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ig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，ig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iL增大；到t1时刻，iL增大到比〔ig(t1)＋ΔI〕/k略大一点，滞环比较器动作，S2关断，电感L放电，iL经电容C2，二极管D3续流；直到t2时刻，下降到比〔ig(t2)－ΔI〕/k稍小一点，S2再一次导通，iL又将增大。ig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。

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。

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。

篇2：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

关键词：高压钠灯；电子镇流器；闭环；电流跟踪

引言

1 控制原理与电路分析

1.1 整流及APFC

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）。

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ig和电流反馈信号if之差ig－if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，iL增大，当S3(或D3)导通时，iL减小。设滞环比较器的环宽为ΔI，若电流反馈系数为k（=if/iL），电流iL在（ig－ΔI）/k和（ig＋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

[1] [2] [3]

篇3：高压钠灯电子镇流器的研制

HPSL电子镇流器因使用场所和其本身的特性，要求较为严格。它的基本要求是：

1）较高的功率因数（≥0.99）；

2）适应温度范围－20～50℃，且防雨雪；

3）输出到灯的功率必须恒定；

4）为防电极极化，灯的电流必须是交流，而且须防声共振；

5）必须有2.5～4kV的点灯触发电压，灯点亮后高压须消除，不影响灯的正常工作；

6）较高的功率（一般人行道为75W，道路为250W，广场为400W，最高达1000W）；

7）对各种故障（灯短路、灯开路或无灯、弧光不正常、灯过压、灯过流以及电路本身的故障）的识别及保护功能完善。

2 方案的选择

能够实现上述基本功能的方法有好多种，虽然许多厂商竞相研制生产，但能做到实用较为困难，因为，简单的电路难以满足要求，复杂的电路成本昂贵。通过对HPSL电子镇流器的大量研究，本文介绍采用美国UNITROD公司专门为HIDL控制器设计的专用芯片――UCC2305[2]制作的250W镇流器，其基本的框图如图1所示。

它主要由功率因数校正（PFC）电路、UCC2305控制电路、触发电路和辅助电源4部分组成，电路较为简单。

2．1 功率因数校正

实现功率因数校正的方法很多[1][2][3][4][5]，本案选择UC3854B作为控制芯片，建立了固定频率平均电流型有源功率因数校正电路，如图2所示。在图2中，整流桥B1、储能电感L1、功率开关器件S1、升压二极管D1、输出滤波电容C1和电流取样电阻R1组成了PFC主电路。

图2

跟UC3854一样，UC3854B提供了有源功率因数校正的全部功能，这些功能包括电压放大器、模拟乘法/除法器、电流放大器和固定频率PWM，另外，还含有功率MOSFET栅极驱动器、7.5V基准电压、总线预测器、加载赋能比较器、低电压检测器和过流比较器等。平均电流模式的控制使正弦化线电流稳定、低失真而不象峰值电流控制需要斜率补偿。

交流176～264V输入电压经B1整流成为100Hz的正弦半波电压，为了迫使线电流跟随电压变化，UC3854B的脚6经R5引入这个正弦半波线电压取样，内部乘法器将此信号（设为B）与输出电压放大器的输出（设为A）相乘，产生电流控制环的基准信号。同时正弦半波电压又经由R2，R3，C3，R4和C4组成的分压电路产生与线电压的均方根值成正比的电压值，这个电压送到UC3854B的脚8，在其乘法器中平方（此值设为C）。乘法器将实际线电流与电压放大器输出的乘积除以线电压的均方根值的平方，即乘法器的输出IM=AB/C。脚8的输入可对线电压的变化作出补偿，使PFC能够在85～255V的输入电压范围内工作。R1是线电流取样电阻，它的负端与乘法器的`输出一起接到电流放大器的正向端，正端接到电流放大器的反向端。该电流放大器有较高的低频增益，但控制环路的带宽很大，使线电流跟随线电压变化成为可能。

UC3854B相比于UC3854，提供了一个宽的带宽、低偏置的电流放大器、具有快速响应的“能使”比较器、判断基准好坏的比较器以及一个改进的乘法器/除法器，低电压保护改为10V，启动电压为10.5V，而不再是UC3854的16V，启动电流更低。

由于这方面的资料和文献极多，本文不再作更详细的叙述和计算表达。电路中主要元器件B1为4A/600V整流桥，L1=1.2mH，S1为IRFP840，D1为MUR086。

2．2 UCC2305控制器

UCC2305集成了控制和驱动HIDL所有的功能需要，它适用于金属卤素灯（如汽车大灯、放映机灯等）、高压汞灯和高压钠灯等高强度放电灯控制器的驱动和控制。它包含一个完全的电流模式脉宽调制器、一个灯功率调节器、灯温补偿器和所有故障保护。

UCC2305的内部结构和功能如图3所示。其单端驱动脚19（PWMOUT）可驱动正激式、反激式、升压式、降压式等不同类型的电路。主输出脚9（QOUT）和脚15（QOUT）采用大电流推拉电路，可以驱动半桥和全桥电路。桥路输出采用低频交流，UCC2305内置分频器将单端驱动的频率（一般取100kHz）除以512，得到195Hz的低频，因此消除了声共振。声共振是HIDL在高频电源供电时出现的放电电弧不稳的现象，其机理是灯管内压力波的脉动从管内壁反射回来，如果与高频电流的脉动成分相位相同，则形成驻波，产生声共振，轻则灯光抖动，重则烧毁灯管和镇流器。

图3

图4给出了采用UCC2305作为控制芯片的250WHPSL电子镇流器的原理图。由于HIDL的阻抗非线性（其阻抗特性见图5），在灯未点亮之前处于高阻，一旦外加高压触发点亮以后灯就导通，其两端电压迅速降低，灯电流增大，呈现负阻特性。如果还以平常的电压加于灯上，灯将烧毁。而HIDL在刚启动的冷态和长时间工作的热态的阻抗又有很大差别，因此，HIDL控制器必须是一个电流模式控制下的恒功率输出。在本方案中，单端采用了降压式Buck电路，将PFC输出的400V电压，在恒电流下降至HPSL所需的工作电压。由于是高端驱动，所以需将PWM信号电平移位，采用IR2117或者TLP250等IC均能实现。电流取样采用电流互感器T1，因为开关频率较高，因此只需很小的磁芯，初次级匝比为1：100。电流信号经D10整流后送到UCC2305的脚23（ISENSE端）。在UCC2305中HIDL功率的调节是计算灯电流和电压，指令适当的输入电流保持灯功率的恒定。而灯的电压由分压比为120：1的分压电阻R36与R37得到，送到芯片的脚11（VOUT－SENSE）；灯的电流由取样电阻R18得到，这个信号送到芯片的脚5（LOADISENSE）。UCC2305的电流模式PWM类似于工业标准的UC3842和UCC3802电路，使用高增益开环放大器，LOADISENSE信号直接送入该放大器，放大器放大了预期灯电流和实际灯电流之差，并在反馈误差放大器脚LPOWER产生一个粗略地比例于灯功率的输出信号。开环放大器驱动一个高速PWM比较器，这个比较器将控制器的输入电流，即脚23的ISENSE信号跟开环放大器的输出电流比较，用这个信号设置占空比。因此，控制器的输出调节在恒定的功率，以使灯光的强度相对恒定。

S3、L2和C14的确定在文献[3]有详细的计算，对于一个250W的HPSL，S3采用IRFP840、L2选用EE30铁氧体磁芯,电感量1.5mH，C14为100μF、400V的电解电容。

控制器的输出采用全桥逆变器。逆变器工作在195Hz的低频，灯的平均电压为零。桥路的驱动由脚QOUT和QOUT输出，它们均以50％的占空比工作，相差180°。采用IR2110驱动高端和低端的MOSFET管。这样的方法成本较贵，也可以低端直接驱动，高端采用一个高压晶体管、一个上拉电阻以及正确的相位。灯在正常点燃时，需要变换灯的极性，但当灯还未点亮时交流电压将干扰启动。UCC2305有一个“NOTON”的逻辑输出，当灯还未点亮时为高电平，点亮后为低电平。将该输出连到脚DIVPAUSE，点灯时使低频逆变停止，直至灯彻底点亮。

图4

UCC2305的供电来自于一只6.8V的稳压管D8，它可以防止供电过电压及有可能出现的反向供电。6.8V电压接到VCC端，但器件工作的许多功能供电须来自于连接到脚BOOST的近似于10V的电压。将脚PUMPOUT当作一个交流信号和将外部的二极管当作开关器件，通过电压倍压器，在脚BOOST可得到这个10V供电，满足包括MOSFET驱动等在内的其它所有功能需要。用阻抗大于10kΩ的分压器从脚VCC接到脚BAT，对芯片具有可靠的保护。

UCC2305控制器PWM振荡器由脚ISET和脚OSC接地的电阻和电容决定振荡频率fOSC=2/R28C20。对于100kHz，R28应为100kΩ、C20应为200pF。UCC2305中所有电路均工作在R28所设置的偏置电流下，最佳工作状态时应在75～150kΩ之间。

UCC2305内部含有复杂的电路来预测灯温、补偿灯温，当灯处于冷态时，给灯较高的功率，当灯温升高时减少功率到一般的水平。这样可以满足象汽车大灯等需要开启时就很快达到满亮度的要求。这个功能的实现是在开灯时，通过检测连接于脚SLOPEC和脚WARMUPC上的电容CS和CW上的充电电压，预测灯温，关灯时，这两个电容以一个可控制的速度放电，放电电流通过UCC2305内的电流源所设定。控制这些电容放电的能量来自于连接到BYPASS的一个电容C22存储的能量。所需电容的值可以假定一个最大5μA的BYPASS电流、60s的放电时间以及5V最大可允许的下跌电压，估算，即C=IΔt/ΔV=5μA60s/5V=60μF。CS及CW必须是精密薄膜电容，与灯的“时间－温度”关系相匹配。

从冷灯峰值电流到热灯峰值电流的额定值，通过脚ADJ的电压控制，从脚ADJ到地连接一个电阻来设置这个电压。冷灯的短路电流到热灯的短路电流的值，也被这个电阻设置。

脚VOUTSENSE的电压比例于灯的电压，UCC2305检测脚VOUTSENSE的电压，将它与内部83mV的低门槛电压和2V的高门槛电压进行比较，如果电压不在这个范围，说明灯还未点燃或者开路或者短路，IC将用接近250nA的电流拉升接在脚FLTC和地之间的电容C19的电压。如果故障的时间足够长，使C19的电压超过5V，表明有灾害性故障，并关断IC，直至从脚BOOST撤除供电。如果故障在C19达到5V之前查明，电容即被放电直至0V，进入正常工作状态。放电电流50nA，放电时间比充电时间长5倍。正常工作的灯电压在60～110V之间，短路时在10V，启动时最高限制在600V。

2．3 启动电路

普通荧光灯电子镇流器的LC谐振电路虽然也能使HIDL启动，但并不满足HIDL的需要。HPSL的启动需要3～4kV的触发电压，使电弧管击穿，并提供足够的能量，使辉光放电尽快转化为弧光放电。对于HPSL启动器，有很多电路都有专利保护，虽然电路不算复杂，但在电路设计和元器件的选取上，都有一些技巧。一般的启动电路，在文献[4]中有详述。

3 结语

通过对高压钠灯电子镇流器多种电路的研究，发现使用UCC2305作为HIDL控制器具有电路可靠、结构简单、性价比较好等优点。UCC2305控制器不但能完成从触发点灯到灯稳定的电流模式恒功率调节，还具有完善的短路、开路、弧光失常、灯点不亮等全部保护功能，还能对灯温进行预测和补偿、输出功率可调、可以直接驱动MOSFET功率管，并且能够工作在－40～105℃宽温度范围，适合恶劣环境。采用UCC2305制作的高压钠灯电子镇流器，具有真正进入实际应用的价值。用电子镇流器替代传统电感式镇流器，不但可以节省大量的电能，还能实现高功率因数，减少电网污染，实现绿色照明。

篇4：高压钠灯电子镇流器的研制

摘要：高压钠灯电子镇流器相比于电感式镇流器具有许多优势，但众多的设计方法难以达到实用。介绍了采用美国UNITRODE公司的专用芯片UCC2305设计的高压钠灯电子镇流器，并描述了其原理和方法。

关键词：绿色照明；高压钠灯；功率因素；恒功率

引言

高压钠灯（HPSL）[1]是高强度放电灯（HIDL――HighIntensityDischargeLamp）中的一种，因其具有极好的光效（80～140lm/W）和合适的光波长，而被广泛用于户外照明，如广场、道路、码头等。但是，传统的电感式的镇流器存在功率因数低和自身损耗大的缺点。大量低功率因数电器的使用，对电网造成谐波污染，不但增加了供发电设备的负荷，使供发电设施得不到充分利用，而且严重影响其它用电设备的正常运行。

绿色照明事业在世界范围的`蓬勃发展，推进了电子镇流器的广泛使用。电子镇流器不但可以做到很高的功率因数（接近1），而具有显著的节能效果，而且还能在很宽的电压范围内点灯工作，很好地解决了电感式镇流器的缺点。因为，HPSL的功率相对于荧光灯大得多，用量也极大，所以，HPSL电子镇流器的开发应用，具有更加深远的意义。