高压钠灯电子镇流器的研制

高压钠灯电子镇流器的研制

0    引言

    高压钠灯（HPSL）[1]是高强度放电灯（HIDL——High Intensity Discharge Lamp）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。

1    对高压钠灯电子镇流器的要求

    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。

图1    HPS电子镇流器框图

    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    功率因数校正示意图

    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    UCC2305的内部功能图

    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。

图4    采用UCC2305作为控制芯片的HPS电子镇流器原理图

图5    HIDL阻抗特性

    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。

    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。