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，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。
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。
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。
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。
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图6 进线端电压电流波形
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