太陽(yáng)能低壓鈉燈電子鎮流器的研制

　　0 引言

　　太陽(yáng)能作為綠色能源將是國家大力推廣的節能項目，而低壓鈉燈是照明工程節能改造及太陽(yáng)能照明系統的最佳光源，它以其高光效200lm/W及長(cháng)壽命，視見(jiàn)分辨率高，對比度好，不受環(huán)境溫度影響的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應用于道路、高架橋、隧道和交叉路口等能見(jiàn)度高和顯色性要求不高的地方。低壓鈉燈還具有不眩目，不會(huì )因環(huán)境氣體的蝕化作用而產(chǎn)生燈具光學(xué)系統過(guò)早損壞的現象。過(guò)去低壓鈉燈使用的是傳統自耦漏磁電感鎮流器，因自身體積大、重量高，自身?yè)p耗大（18%），在工頻供電的條件下，有明顯的頻閃效應，從而影響了低壓鈉燈的光放提高，且其輸出功率隨供電電壓的波動(dòng)變化較大，嚴重影響燈管的工作壽命，能耗特高等缺點(diǎn)，嚴重制約了低壓鈉燈的廣泛應用。研制高效、環(huán)保、體積小、長(cháng)壽命、性?xún)r(jià)比高的太陽(yáng)能低壓鈉燈電子鎮流器已成為大勢所趨。與所有的鎮流器一樣，低壓鈉燈呈現負阻特性。

　　l 系統控制策略

　　太陽(yáng)能低壓鈉燈電子鎮流器是由太陽(yáng)電池陣列來(lái)供電，由于太陽(yáng)電池陣列具有非線(xiàn)性的電源特性，為保證陣列在任何日照和環(huán)境溫度下都將提供相應可能的最大功率輸出，因此，要求鎮流器白天能自動(dòng)跟蹤最大功率點(diǎn)給蓄電池充電，晚上經(jīng)光控元件檢測太陽(yáng)電池電壓和定時(shí)器件來(lái)決定是否自動(dòng)點(diǎn)亮低壓鈉燈。

　　太陽(yáng)能低壓鈉燈電子鎮流器基本結構如圖1所示。主電路基本分為二部分，第一部分足DC/DC升壓電路，第二部分為逆變部分。從本質(zhì)上講，它是一個(gè)DC/DC/AC變換電路。

　　2 DC/DC升壓電路的設計與實(shí)現

　　如圖2所示，DC/DC驅動(dòng)芯片采用美國硅通公司生產(chǎn)的電壓型PWM控制器SG3525A，SG3525A是一種性能優(yōu)良，功能齊全，通用性很強的單片集成PWM控制器，該芯片簡(jiǎn)單可靠且使用方便靈活，通過(guò)外接適當電路，不僅能夠實(shí)現PWM控制，還可以完成輸入軟啟動(dòng)、過(guò)載限流、欠壓保護、死區調節等多種功能。

　　其工作原理為將升壓變壓器的中心抽頭接于正電源，兩路相反的PWM驅動(dòng)脈沖送至開(kāi)關(guān)管S16、S17的基極，從而控制兩只功率管交替工作，得到的方波交流電壓經(jīng)變壓器輸出，經(jīng)電感L16和電容濾波得到360V直流。電流檢測電阻(R41//R42)得到的電壓接到SG3525A的腳10來(lái)實(shí)現過(guò)流保護。R37、R38和R45為電壓采樣，構成電壓負反饋，因而提高了電路的可靠性。SG3525A及控制電路的電源都來(lái)自蓄電池，D16為防反接二極管。DC/DC從12V蓄電池電壓升到360V直流電，供后級鎮流電路點(diǎn)燈。

　　3 高頻鎮流器電路的設計與實(shí)現

　　根據低壓鈉燈的特點(diǎn)，對電子鎮流器有以下要求。

　　(1)給燈的兩電極間提供足夠高的啟動(dòng)電壓，使燈正常點(diǎn)火(低壓鈉燈的啟動(dòng)電壓低于1500V)。

　　(2)在低壓鈉燈點(diǎn)火進(jìn)入穩態(tài)工作后，應確保燈能穩定工作，要為燈提供一個(gè)大小合適且穩定的工作電流。

　　電子鎮流器的輸出功率、施加于燈兩端的電壓和燈的實(shí)際工作電流必須與配接的燈參數相匹配。

　　(3)必須將電流諧波含量控制在標準規定限定值以?xún)?，以防止對電網(wǎng)造成嚴重污染，并獲得高功率因數。

　　(4)必須具備較高的安全性和可靠性。

　　高頻鎮流器電路采用了集成電路驅動(dòng)芯片IR2153，它能提供兩路非常干凈的可驅動(dòng)半橋逆變電路中上下兩個(gè)MOSFET功率開(kāi)關(guān)管的信號。這種集成電路(即IC芯片)是自激的，含有類(lèi)似555定時(shí)器的RC振蕩器，其振蕩頻率可由改變外接的RC組件的參數予以調整。此外，集成電路還有許多其它優(yōu)點(diǎn)，如：便于調光、引入無(wú)功耗預熱啟動(dòng)、增加保護功能等。

　　如圖3所示，其工作原理為：經(jīng)前級升壓電路得到直流360V電壓，啟動(dòng)時(shí)經(jīng)R20向電容C18充電，當充到IR2153的啟動(dòng)電壓時(shí)，芯片正常工作，產(chǎn)生PWM波來(lái)驅動(dòng)兩只MOSFET，使之輪流導通與截止，在其中心點(diǎn)VS(腳6)輸出幅度約為直流電壓的一半，即360V/2，其占空比約為50％的方波信號，經(jīng)電感L1及電容C22和C24給燈管提供啟輝信號。S6導通時(shí)，VCC通過(guò)自舉二極管D5對自舉電容C19充電，使VB(腳8)電壓比H0(腳7)電壓高出VCC，為lC內部高端驅動(dòng)級提供直流電源。接于腳6的R24、C23串聯(lián)網(wǎng)絡(luò )起阻尼作用，可以減小方波輸出前沿的噪聲輻射，也有對S5、S6的續流作用。同時(shí)它將半橋中點(diǎn)電壓通過(guò)D15、D16整流，供給IR2153的VCC(腳I)直流電壓，不再由R20降壓供給，以減小功耗。

　　低壓鈉燈啟動(dòng)電路采用了LC串聯(lián)諧振變換器，它是一種普遍應用于電子鎮流器的電路拓撲，特別適合在熒光燈、低壓鈉燈等電子鎮流器中使用。它結構簡(jiǎn)單，便于設計，可靠性高，可以滿(mǎn)足燈啟動(dòng)和穩態(tài)工作的要求。LC諧振變換器由諧振電感L1、串聯(lián)諧振電容C22和并聯(lián)諧振電容C24組成，在低壓鈉燈啟動(dòng)前，由于低壓鈉燈無(wú)燈絲，并且電弧管中填充的隋性氣體未氣化，所以燈處于相當高的阻抗狀態(tài)，可以認為燈處于開(kāi)路狀態(tài)。在半橋LC諧振變換器中，串聯(lián)諧振電容C22，和并聯(lián)諧振電容C24共同串聯(lián)在一起和諧振電感L1在交流電源驅動(dòng)下諧振，從而在C24兩端產(chǎn)生高電壓；在穩態(tài)工作的半橋LC諧振變換器中，串聯(lián)諧振電容C22和諧振電感L1在交流電源驅動(dòng)下為燈負載供電，提供穩態(tài)工作所需的燈端電樂(lè )和燈電流，在并聯(lián)諧振電容C24中通過(guò)很小的旁路電流。

　　4 實(shí)驗結果

　　在低壓鈉燈電子鎮流器中采用了新型的異常保護電路和短路保護電路。如圖4所示，在不接低壓鈉燈的情況下，在100ms的時(shí)間內電源先啟動(dòng)后關(guān)斷，其中通道1為低壓鈉燈電壓波形，通道2為半橋式逆變器芯片供電電源。在低壓鈉燈正常工作時(shí)，如燈突然斷開(kāi)或接觸不良，即燈開(kāi)路的情況下的波形圖，如圖5所示。同樣半橋式逆變器芯片IR2153供電電源斷開(kāi)，半橋逆變器停止工作。圖5中通道l為低壓鈉燈正常工作電壓波形，通道2也為半橋式逆變器芯片供電電源。這樣不僅保護了MOSFET功率管不因嚴重發(fā)熱而損壞，而且還能在燈開(kāi)路的情況下使半橋逆變器停止工作，節約電能。

　　圖6為低壓鈉燈啟動(dòng)波形圖，由圖6可以看出，其啟動(dòng)電壓最高值為4lOV，滿(mǎn)足了55W低壓鈉燈最低啟動(dòng)電壓的要求，其啟動(dòng)周期為1s，可以滿(mǎn)足低壓鈉燈多次可靠觸發(fā)啟動(dòng)。

　　圖7為低壓鈉燈正常工作電壓、電流波形圖，圖7通道l為其正常工作電壓波形圖，電壓有效值為105V，通道2為其正常工作電流波形圖，電流有效值為O.50A，最大值為0.7A，功率為53W。

　　實(shí)驗用了一節12V的蓄電池供電，經(jīng)DC/DC升壓電路將12V升到穩定的360V，實(shí)驗用低壓鈉燈型號為PHLIPS公司的55W BY22d，數字存儲示波器型號為DS-5000系列。研制的具有商品化的太陽(yáng)能低壓鈉燈電子鎮流器如圖8所示，由于低壓鈉燈應用于街道照明引線(xiàn)不能太長(cháng)，采用了前極升壓電路與后極高頻鎮流電路分開(kāi)沒(méi)計的方案。

　　5 結語(yǔ)

　　55W的太陽(yáng)能低壓鈉燈電子鎮流器經(jīng)老化及高低溫實(shí)驗表明電路工作穩定，各種保護工作可靠，基本實(shí)現恒功率控制。低壓鈉燈可靠穩定的工作，說(shuō)明達到了相關(guān)技術(shù)要求，并且啟動(dòng)電路能多次可靠啟動(dòng)，結構簡(jiǎn)單。