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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:2007-1-20栏目:电子通信论文

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。
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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。
基于电流跟踪控制的高压钠灯电子镇流器研制
    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。
基于电流跟踪控制的高压钠灯电子镇流器研制
    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

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