一种可调光节能的高压钠灯电子镇流器设计_软启动/调光

论文导读:：设计了一种具有调光节能功能的电子镇流器，该电子镇流器包括有源功率因数校正电路（APFC），半桥逆变电路和控制系统。对系统的参数进行了设计和实验。实验结果表明，所设计的电子镇流器具有较好的启动、运行性能，可以方便的实现调光，节能效果明显。
论文关键词：电子镇流器，高压钠灯，有源功率因数校正，软启动/调光
 

0引言

目前，在我国城市路灯照明系统中，高压钠灯的使用最为广泛，传统的电感式镇流器因功率因数低、效率低、谐波量大、不能调光节能、启动方式对灯电极损伤大、没有保护功能等缺点已不能满足“绿色照明”和“节能减排”的要求。为解决以上问题，设计了一台具有调光节能功能的智能化电子镇流器。该镇流器采用双级结构，APFC部分以L6562D芯片为核心，逆变驱动部分以IR2153芯片为核心，整个系统的控制由一片Atmelga16完成。调光的实现采用调频调光法。制作了实验样机，并反复实验软启动/调光，实验结果表明此镇流器启动及运行安静可靠，调光范围宽，节能效果明显。

1　电子镇流器具体设计

1.1 系统基本框图

系统框图如图1所示，EMI部分采用单级π型滤波器，整流部分采用全波整流，由一片MKP62/275~X2/474K芯片完成，APFC部分采用Boost拓扑结构，逆变部分采用CLASS-D型拓扑结构和LCC谐振网络。图1 系统框图

1.2 APFC电路设计

为了提高系统的功率因数，系统加入功率因数校正环节论文提纲怎么写。由功率因数定义知，功率因数由两个因素决定，其中一个是交流输入市电的基波电流与基波电压的相位差φ，另一个是交流输入市电电流的波形失真系数γ。提高功率因数就要使cosφ与γ的乘积近似等于1。鉴于此，设计了基于L6562D的APFC电路，如图2所示：

图2 基于L6562的APFC电路

此电路工作在临界连续模式（CRM），并采用峰值电流控制，开关管最小开关频率为20KHZ，输出直流电压理论上为400V。升压电感可由式(2-1)近似确定：

(2-1)

式中η：APFC的效率 V_AC：市电输入电压 Vo：直流输出电压 f_ωt(min)：开关管最小开关频率 Po：电子镇流器功率

经计算并反复调试，选择L=0.25mH。输出电容可由式(2-2)近似确定：

(2-2)

式中 u_AC(max):市电输入最大电压有效值 i_AC(max):市电输入最大电流有效值 ω:市电输入角频率 u_o:直流输出电压 △u_m:输出波纹电压

经计算并反复调试，选择输出电容为450V/220uF。此APFC电路使得镇流器功率因数达96%软启动/调光，测试结果如图3所示。

1.3 基于LCC谐振网络的逆变电路设计

在中小功率的电子镇流器中，考虑到成本因素，实际的电子镇流器大多都是应用CLASS-D型不对称半桥逆变电路。如图4所示：

图 4 基于LCC谐振网络的逆变电路

这个电路可看成由Q1、D2、组成的BUCK电路和Q2、D1、组成的BOOST电路的结合^[2]。[2]中论述了此电路拓扑具体工作过程。文献[1]中分析了LCC谐振网络的具体工作过程。此电路中Q1、Q2选择STP20NM60FT型MOFEST，对于Cs和Cr的选择要满足Cs>>Cr，这里选择C_s=220nF，C_r =4.7nF，对于Lr的选择要满足电路正常工作时整个LCC网络呈感性，这将有助于限制电路中的电流，从而减小过大的电流对开关管和钠灯的冲击，同时也可以使钠灯两端的波形更加趋近于正弦波。记钠灯点亮后电路的工作角频率为ω，钠灯电阻为R_lamp，则电路阻抗Z为：

所以当且时电路呈感性。设计电路参数时要注意这个原则。此电路中选择L_r=0.45mH论文提纲怎么写。

1.4 启动电路设计及调光功能的实现

1.4.1 基于IR2153的软启动电路设计

在实际的电子镇流的制作当中，为了提高钠灯启动的安全性、可靠性及延长钠灯的使用寿命。文献[1]中提出了定频带滑频软启动控制策略，就是在自然谐振点的右侧选择一个频带f₁-f₂，启动时令f₂向f₁滑动，电压增益将逐渐增大，直到某一时刻灯端电压使灯内部等离子体击穿，完成放电过程使灯点亮。这样，在钠灯点亮前软启动/调光，钠灯就有充分的时间进行预热，从而提高了启动的可靠性并延长了钠灯的寿命。值得注意，对于f₁的选取，应当在满足C_r和灯的耐压条件下进行。基于这种思想设计了基于IR2153的软启动电路，如图4所示：

图5

图5中，二极管D1为CT提供充电通道，二极管D2为CT提供放电通道。C1起电压钳位作用。IR2153输出的PWM频率与RT、CT的震荡频率成一定的比例关系，即震荡频率越高，输出PWM驱动信号的频率越高，当然这种关系不是线性的。为实现软启动，由IR2153的技术手册知，可以控制CT端的电压，改变其充放电的时间。基于这种思想我们可以在CT充电的时候给CT附加一个正向的电压，在CT放电的时候给CT附加一个负向电压，这样CT从1/3Vcc充电到2/3Vcc和CT从2/3Vcc放电到1/3Vcc所用的时间就减小了，频率也就增加了。所以，改变控制电平的幅值就可以方便的改变PWM信号的频率。启动时提高图5中控制电平的幅值，使得开关频率为f₂，然后逐渐减小控制电平的幅值软启动/调光，使f₂逐渐向f₁滑动，直到钠灯点亮。钠灯点亮后，电路自然失谐到稳定工作状态，同时也要相应的控制电路配合把控制电平减小到使灯正常工作所需频率下对应的电平幅值。控制电平幅值与PWM信号频率比例关系的实验结果如表1所示。

1.4.2 调光功能实现

图4中，U_in为幅值为V_DC/2高频方波，改变PWM信号频率，则Lr的感抗增加，电路中电流减小，灯两端的电压电流都减小，通过改变控制电平幅值的大小实现调光功能论文提纲怎么写。控制电平为一个可编程的电压，根据实际需要，在程序里就可以很方便的设定不同的调光时间段，最终达到调光节能的目的。考虑到镇流器的效率，钠灯的发光效率并避免声谐振现象的发生，选择开关频率范围为38KHZ-55KHZ^[3]。实验结果如表2所示。

1.5 保护功能实现

镇流器系统的故障主要有断路故障（空载）和短路故障，这些故障都可以根据灯端电压加以判断，所以把灯端电压作为反馈信号，与比较器的基准进行比较，比较器的输出信号送到单片机中软启动/调光，由程序判断故障类型并做出相应处理。启动时，如果在设定的时间内灯电压仍然没有达到所设定的值，那么单片机就会封所PWM脉冲，延时3分钟后（冷灯时间）继续启动，如果在设定的启动次数内灯仍然不能点亮，则进入保护模块。正常工作时，如果发生故障，再次启动和保护过程和上述一样。图6为镇流器带载时的启动波形，图7为空载时启动波形。

2　实验结果

U(V):D1阴极电位 f(KHZ):PWM频率

表 1

f(KHZ):PWM频率LUX:照度

表 2

图3市电输入波形图6正常启动电压

图7空载启动电压 图8正常运行时灯电压电流

图9正常运行时灯

电压电流包络

3结论

设计了一台具调光节能功能的电子镇流器，制作了实验样机。实验结果表明，该镇流器各项性能指标满足设计要求，可以方便的实现较宽范围的调光，节能效果明显，在城市路灯照明系统中具有广泛的应用前景。

参考文献
[1]徐殿国，韩颖，李晓强.基于LCC谐振网络的HPS灯电子镇流器启动方法的研究.第十六届全国电源技术年会论文集：889-891.
[2]林渭勋.现代电力电子电路.杭州：浙江大学出版社,2002.
[3]X.Cao,Wei Yan,S.Y.R.Hui,etc.High Fre-uency Modeling ofLow-Wattage High-inte-nsity-Discharge(HID)Lamp.IEEE PowerElectronicsspecialists Conference,2001(1):62-66.