高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器的研制

摘要：高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器相比于電感式鎮(zhèn)流器具有許多優(yōu)勢，但眾多的設(shè)計(jì)方法難以達(dá)到實(shí)用。介紹了采用美國UNITRODE公司的專用芯片UCC2305設(shè)計(jì)的高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器，并描述了其原理和方法。

引言

高壓鈉燈（HPSL）[1]是高強(qiáng)度放電燈（HIDL——HighIntensityDischargeLamp）中的一種，因其具有極好的光效（80～140lm/W）和合適的光波長，而被廣泛用于戶外照明，如廣場、道路、碼頭等。但是，傳統(tǒng)的電感式的鎮(zhèn)流器存在功率因數(shù)低和自身損耗大的缺點(diǎn)。大量低功率因數(shù)電器的使用，對電網(wǎng)造成諧波污染，不但增加了供發(fā)電設(shè)備的負(fù)荷，使供發(fā)電設(shè)施得不到充分利用，而且嚴(yán)重影響其它用電設(shè)備的正常運(yùn)行。

綠色照明事業(yè)在世界范圍的蓬勃發(fā)展，推進(jìn)了電子鎮(zhèn)流器的廣泛使用。電子鎮(zhèn)流器不但可以做到很高的功率因數(shù)（接近1），而具有顯著的節(jié)能效果，而且還能在很寬的電壓范圍內(nèi)點(diǎn)燈工作，很好地解決了電感式鎮(zhèn)流器的缺點(diǎn)。因?yàn)�，HPSL的功率相對于熒光燈大得多，用量也極大，所以，HPSL電子鎮(zhèn)流器的開發(fā)應(yīng)用，具有更加深遠(yuǎn)的意義。

1 對高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器的要求

HPSL電子鎮(zhèn)流器因使用場所和其本身的特性，要求較為嚴(yán)格。它的基本要求是：

1）較高的功率因數(shù)（≥0.99）；

2）適應(yīng)溫度范圍－20～50℃，且防雨雪；

3）輸出到燈的功率必須恒定；

4）為防電極極化，燈的電流必須是交流，而且須防聲共振；

5）必須有2.5～4kV的點(diǎn)燈觸發(fā)電壓，燈點(diǎn)亮后高壓須消除，不影響燈的正常工作；

6）較高的功率（一般人行道為75W，道路為250W，廣場為400W，最高達(dá)1000W）；

7）對各種故障（燈短路、燈開路或無燈、弧光不正常、燈過壓、燈過流以及電路本身的故障）的識別及保護(hù)功能完善。

2 方案的選擇

能夠?qū)崿F(xiàn)上述基本功能的方法有好多種，雖然許多廠商競相研制生產(chǎn)，但能做到實(shí)用較為困難，因?yàn)椋�簡單的電路難以滿足要求，復(fù)雜的電路成本昂貴。通過對HPSL電子鎮(zhèn)流器的大量研究，本文介紹采用美國UNITROD公司專門為HIDL控制器設(shè)計(jì)的專用芯片——UCC2305[2]制作的250W鎮(zhèn)流器，其基本的框圖如圖1所示。

它主要由功率因數(shù)校正（PFC）電路、UCC2305控制電路、觸發(fā)電路和輔助電源4部分組成，電路較為簡單。

2．1 功率因數(shù)校正

實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正的方法很多[1][2][3][4][5]，本案選擇UC3854B作為控制芯片，建立了固定頻率平均電流型有源功率因數(shù)校正電路，如圖2所示。在圖2中，整流橋B1、儲能電感L1、功率開關(guān)器件S1、升壓二極管D1、輸出濾波電容C1和電流取樣電阻R1組成了PFC主電路。

圖2

跟UC3854一樣，UC3854B提供了有源功率因數(shù)校正的全部功能，這些功能包括電壓放大器、模擬乘法/除法器、電流放大器和固定頻率PWM，另外，還含有功率MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器、7.5V基準(zhǔn)電壓、總線預(yù)測器、加載賦能比較器、低電壓檢測器和過流比較器等。平均電流模式的控制使正弦化線電流穩(wěn)定、低失真而不象峰值電流控制需要斜率補(bǔ)償。

交流176～264V輸入電壓經(jīng)B1整流成為100Hz的正弦半波電壓，為了迫使線電流跟隨電壓變化，UC3854B的腳6經(jīng)R5引入這個(gè)正弦半波線電壓取樣，內(nèi)部乘法器將此信號（設(shè)為B）與輸出電壓放大器的輸出（設(shè)為A）相乘，產(chǎn)生電流控制環(huán)的基準(zhǔn)信號。同時(shí)正弦半波電壓又經(jīng)由R2，R3，C3，R4和C4組成的分壓電路產(chǎn)生與線電壓的均方根值成正比的電壓值，這個(gè)電壓送到UC3854B的腳8，在其乘法器中平方（此值設(shè)為C）。乘法器將實(shí)際線電流與電壓放大器輸出的乘積除以線電壓的均方根值的平方，即乘法器的輸出IM=AB/C。腳8的輸入可對線電壓的變化作出補(bǔ)償，使PFC能夠在85～255V的輸入電壓范圍內(nèi)工作。R1是線電流取樣電阻，它的負(fù)端與乘法器的輸出一起接到電流放大器的正向端，正端接到電流放大器的反向端。該電流放大器有較高的低頻增益，但控制環(huán)路的帶寬很大，使線電流跟隨線電壓變化成為可能。

UC3854B相比于UC3854，提供了一個(gè)寬的帶寬、低偏置的電流放大器、具有快速響應(yīng)的“能使”比較器、判斷基準(zhǔn)好壞的比較器以及一個(gè)改進(jìn)的乘法器/除法器，低電壓保護(hù)改為10V，啟動(dòng)電壓為10.5V，而不再是UC3854的16V，啟動(dòng)電流更低。

由于這方面的資料和文獻(xiàn)極多，本文不再作更詳細(xì)的敘述和計(jì)算表達(dá)。電路中主要元器件B1為4A/600V整流橋，L1=1.2mH，S1為IRFP840，D1為MUR086。

2．2 UCC2305控制器

UCC2305集成了控制和驅(qū)動(dòng)HIDL所有的功能需要，它適用于金屬鹵素?zé)簦ㄈ缙�車大燈、放映機(jī)燈等）、高壓汞燈和高壓鈉燈等高強(qiáng)度放電燈控制器的驅(qū)動(dòng)和控制。它包含一個(gè)完全的電流模式脈寬調(diào)制器、一個(gè)燈功率調(diào)節(jié)器、燈溫補(bǔ)償器和所有故障保護(hù)。

UCC2305的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能如圖3所示。其單端驅(qū)動(dòng)腳19（PWMOUT）可驅(qū)動(dòng)正激式、反激式、升壓式、降壓式等不同類型的電路。主輸出腳9（QOUT）和腳15（QOUT）采用大電流推拉電路，可以驅(qū)動(dòng)半橋和全橋電路。橋路輸出采用低頻交流，UCC2305內(nèi)置分頻器將單端驅(qū)動(dòng)的頻率（一般取100kHz）除以512，得到195Hz的低頻，因此消除了聲共振。聲共振是HIDL在高頻電源供電時(shí)出現(xiàn)的放電電弧不穩(wěn)的現(xiàn)象，其機(jī)理是燈管內(nèi)壓力波的脈動(dòng)從管內(nèi)壁反射回來，如果與高頻電流的脈動(dòng)成分相位相同，則形成駐波，產(chǎn)生聲共振，輕則燈光抖動(dòng)，重則燒毀燈管和鎮(zhèn)流器。

圖3

圖4給出了采用UCC2305作為控制芯片的250WHPSL電子鎮(zhèn)流器的原理圖。由于HIDL的阻抗非線性（其阻抗特性見圖5），在燈未點(diǎn)亮之前處于高阻，一旦外加高

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