基于LCC諧振網(wǎng)絡(luò )的滑頻軟啟動(dòng)電路設計

高壓鈉燈(HPS)是一種高強度氣體放電燈(HID)，因其光效率高、顯色性好而倍受人們的青睞。其電子鎮流器作為"綠色照明工程"的重要組成部分，日益成為人們研究的熱點(diǎn)。但啟動(dòng)問(wèn)題卻是整個(gè)電路設計的難點(diǎn)。原因在于：

1、需要一個(gè)幅值在3kV～5kV，脈寬在2μs左右且具有足夠能量的電壓來(lái)觸發(fā)。幅值和脈寬過(guò)小，燈都無(wú)法完成湯姆遜放電→過(guò)渡放電→輝光放電→弧光放電過(guò)程。幅值過(guò)大，將對燈及電路產(chǎn)生巨大的沖擊，影響使用壽命；

2、必須保證諧振電路呈感性，以利于續流二極管和并聯(lián)電容實(shí)現功率管的軟開(kāi)關(guān)，減小損耗；

3、盡量減小電流，防止因電感飽和而使諧振電壓和電流激增，沖擊開(kāi)關(guān)管，影響整個(gè)電路的正常工作； 4、能有效避開(kāi)老化對啟動(dòng)的影響，使電路具有一定的自適應能力。

基于上述理由，根據LC串并聯(lián)諧振理論，本文提出了LCC諧振網(wǎng)絡(luò )滑頻軟啟動(dòng)的解決方案，對此方案進(jìn)行了理論分析和研究，并給出了工程設計方法。

LCC串并聯(lián)諧振理論分析

采用LCC諧振電路的逆變器及其工作原理

在中小功率的高壓鈉燈電子鎮流器中，考慮到成本等因素，常常使用如圖1所示的半橋逆變電路。

該逆變電路利用高壓鈉燈在諧振前后阻抗的變化特性來(lái)實(shí)現。首先，功率開(kāi)關(guān)管Q1和Q2在PWM芯片的驅動(dòng)下，以頻率f交替開(kāi)通和關(guān)斷，LCC諧振電路就得到了幅值為Uab的高頻方波。隔直電容Cs再將輸入電壓中的直流分量濾除。然后，LC在驅動(dòng)頻率f附近發(fā)生串聯(lián)諧振，產(chǎn)生瞬時(shí)高壓將HPS燈擊穿點(diǎn)亮；由于HPS具有負阻特性，鈉燈支路從諧振前的開(kāi)路變?yōu)槎搪?。于是，電容Cr被放電電弧短接，LC自然失諧，震蕩停止。電路由于電感的限流作用而進(jìn)入穩定工作狀態(tài)。

理論分析

圖2給出了LCC諧振半橋逆變器的簡(jiǎn)化等效電路。其中，Lr和Cr為諧振電感和電容，Cs為隔直電容，Rlamp為HPS的等效電阻，Uab為諧振腔輸入的高頻方波電壓。電路具體分析如下：

諧振電壓分析
高頻方波Uab由傅立葉級數展開(kāi)可得：

從方波的傅立葉級數分解可以看出，高次諧波的幅值遠遠低于基波電壓的幅值。加之電容Cr對高次諧波的抑制作用，所以

僅考慮基波時(shí)：

考慮基波和3次諧波時(shí)：

由Lr Cr串聯(lián)諧振可得自然諧振角頻率

LC諧振時(shí)，感性或容性無(wú)功電壓與總電壓之比稱(chēng)為電路的品質(zhì)因數。如下所示：

假設HPS燈兩端電壓為輸出，則可得到電路的傳遞函數：

幅頻特性為：

相頻特性為：

當截止頻率介于基波和3次諧波之間時(shí)，將(2)式代入

燈端電壓：

當截止頻率介于3次和5次諧波之間時(shí)，將(3)式代入

燈端電壓：

通過(guò)仿真可知，高次諧波產(chǎn)生的諧振電壓與基波相近，電流比基波產(chǎn)生的電流小。因此，基波與高次諧波迭加的方法常常被用于大功率數字控制高壓鈉燈電子鎮流器中。而在中小功率的鈉燈鎮流器中，由于所需啟動(dòng)電壓相對較低，往往直接用基波就可以滿(mǎn)足要求。同時(shí)，由于沒(méi)有高次諧波，所以燈端電壓波形更接近于正弦波。

諧振電流分析

在LCC網(wǎng)絡(luò )諧振時(shí)，由于開(kāi)關(guān)管Q1和Q2的寄生電容較小，且諧振電流較大，因此，可以認為開(kāi)關(guān)管Q1和Q2的回路電流和電感Lr上的諧振電流基本保持一致。所以，減小開(kāi)關(guān)管上的回路電流也就是減小電感Lr上的諧振電流。而對于電感Lr上的電流：

可解得模 ；相角

將(7)式代入后可得：



如式(12)所示，在鈉燈功率一定的情況下，可以通過(guò)調整頻率f來(lái)減小諧振電流Ir，如果頻率已經(jīng)選定，則可以通過(guò)選取Cr將高次諧波引入諧振網(wǎng)絡(luò )，減少開(kāi)關(guān)管Q1和Q2的電流，使開(kāi)關(guān)管長(cháng)期工作在安全裕量之內，提高鎮流器的使用壽命。

軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現

LCC諧振網(wǎng)絡(luò )具有明顯的低通濾波器的特性，Q越大，諧振電壓Ur越大。根據(11)式研究0、ω／ω0、Q之間的關(guān)系，可得：當Q1時(shí)，諧振電路在整個(gè)工作頻率內都呈感性；當Q>1，ωω0時(shí)，諧振電路呈容性；當ω>ω0時(shí)，諧振電路呈感性。當電路呈現容性時(shí)，電流超前于電壓，功率管存在開(kāi)通損耗。當電路呈感性時(shí)，電流滯后于方波電壓，由于續流二極管和并聯(lián)電容Cm的作用，功率管實(shí)現了零電壓開(kāi)通(ZVS)和零電流關(guān)斷(ZVS)，減小了損耗。

定頻帶滑頻軟啟動(dòng)

實(shí)際工程中，電感、電容、燈等元器件參數的不一致性，使得設計的驅動(dòng)頻率與諧振頻率恰好保持一致是相當困難的。如果驅動(dòng)頻率偏離自然諧振頻率較遠時(shí)，根據LC串聯(lián)諧振理論：一定的諧振頻率對應一定的諧振電壓，則可能出現諧振電壓不足，難以驅動(dòng)燈的情況。為此，提出了定頻帶滑頻軟啟動(dòng)的方法，以解決燈的有效觸發(fā)問(wèn)題。

定頻帶滑頻軟啟動(dòng)是指在LCC諧振網(wǎng)絡(luò )的自然諧振頻率ω0附近選取一個(gè)頻帶(ω1→ω2對應f1→f2)，讓工作頻率從一點(diǎn)滑到另一點(diǎn)。根據LCC電壓增益特性，HPS燈兩端的諧振電壓將逐漸升高，直至到達某一點(diǎn)，負載端電壓恰好可以將燈內部的等離子體擊穿，完成放電過(guò)程。

電壓增益的最大值一般發(fā)生在固有頻率ω0附近偏左側。為了減小LCC網(wǎng)絡(luò )在ω0處發(fā)生諧振產(chǎn)生的高壓對元件的沖擊，同時(shí)，也為了適應燈、電容，以及電感等元件的老化、離散等造成的啟動(dòng)故障，最好將滑頻帶f1→f2選取在固有頻率f0的右側。這樣有助于實(shí)現軟開(kāi)關(guān)。

電路實(shí)現及實(shí)驗波形

電路實(shí)現

基于以上的理論分析，設計了如圖3所示的滑頻軟啟動(dòng)電路。其工作原理如下：

在QD端為低電平時(shí)，三極管Q1處于截止狀態(tài)，PWM控制芯片的輸出驅動(dòng)頻率由R1、R2、R3和C1決定。隨著(zhù)QD端電壓升高，電解電容C2被緩慢充電，Q1的基級電壓也逐漸增大，Q1由截止區，經(jīng)放大區變到飽和區。當Q1到達飽和區時(shí)，電阻R3等效于被三極管Q1短接。此時(shí)，得到滑頻啟動(dòng)的截止頻率為 即是滑頻軟啟動(dòng)所設定的頻帶。

電子鎮流器從fmin啟動(dòng)，經(jīng)電容充電過(guò)程，驅動(dòng)頻率滑到fs(設fs為起振頻率)，fs經(jīng)OutA和OutB口輸出PWM波，驅動(dòng)如圖1所示的開(kāi)關(guān)管Q1和Q2，產(chǎn)生高頻方波。諧振網(wǎng)絡(luò )的Lr和Cr在驅動(dòng)頻率滑到f處發(fā)生串聯(lián)諧振，在HPS兩端產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)高壓將燈點(diǎn)亮。同時(shí)，電容Cr也被負載短路，LC自然失諧。整個(gè)高壓鈉燈的LCC諧振滑頻軟啟動(dòng)過(guò)程完成。

實(shí)驗波形

根據這個(gè)思路設計了70W太陽(yáng)能高壓鈉燈電子鎮流器，并進(jìn)行了反復實(shí)驗。實(shí)驗結果表明，該啟動(dòng)方法穩定可靠。圖4為該鎮流器LCC諧振滑頻軟啟動(dòng)電路的實(shí)測波形。從圖中可以看到明顯的滑頻軟啟動(dòng)過(guò)程。

結語(yǔ)

本文針對LCC諧振網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行了深入地分析和闡釋?zhuān)o出了高壓鈉燈電子鎮流器滑頻軟啟動(dòng)的設計方案，并在太陽(yáng)能高壓鈉燈電子鎮流器上進(jìn)行了實(shí)驗。結果表明，該啟動(dòng)電路穩定可靠，可以很好地解決各種中小功率高強度氣體放電燈電子鎮流器的啟動(dòng)問(wèn)題。