工程师diy大揭秘：600W 高压钠灯电子镇流器的研制

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，这是因为高压钠灯(HPSL)是一种性能优异的高强度气体放电灯(HIDL)，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，高压钠灯呈负 V-I 特性，需要镇流器来抑制灯电流，而且启动时需要 5～20kV 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。

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，现已研制的 600W 高压钠灯高频电子镇流器采用了频率调制技术，使高压钠灯的电流 工作频率时刻围绕中心频率上下变化。启动部分采用 LC 串联谐振电路产生高压，简单可靠。

1 整体控制策略

电路原理框图如图 1 所示。主电路分为两级，第一级为整流及有源功率因数校正电路(AP FC)，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。辅 助电源由 UC3844 组成的单端反激式电源构成，输出电压 18V 给芯片供电。

图 1 600W 电子镇流器整体结构图

2 整流和 APFC 部分 交流电经二极管整流，虽然输入电压是正弦的，但输入电流却严重畸变，效率很低，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，使输入电流基本为正弦波，谐波含量大大减少。本文采用 FAN 7527B 控制的 Boost 电路作为 APFC 电路如图 2 所示。FAN7527B 是 Fairchild Semiconductor 公司生产的简单高效的功率因数校正器，内含 R/C 滤波器，故外围电路不需接 R/C 滤波器。变压 器 T1 副边有两个作用：给芯片供电，同时作为电流过零的检测信号。此芯片采用电压电流双闭环控制，内环使用电流断续不定频率模式控制。电压检测信号(脚 1)和同步信号(脚 3)相乘 作为电流给定，R5 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 400V，如图 2 所示。

图 2 整流和 APFC 原理图3 高频半桥逆变部分 高频逆变是高压钠灯电子镇流器的重要组成部分，采用了半桥逆变变异形式，少用了两个电容，结构简单，节约了成本。只是电路的输出电压是全桥的一半，在同样输出功率的条件下， 半桥的功率管电流比全桥大一倍，考虑到高压钠灯正常工作电压，半桥电路能完全满足其需求。 如图 3 所示，其工作过程为电感 L1 和 C9 首先达到串联谐振，频率为 200kHz，产生 7kV 高压， 使高压钠灯点火，点火后高压钠灯导通，C9 不起作用，由于 C8 >>C9 ，C8 和电感不会谐振，起到 了镇流作用，这时频率以 35kHz 为中心上下波动 2kHz 范围，1min 后高压钠灯达到恒定功率正 常运行。半桥输出方波，经 C8 和 L1 镇流后变为高频交流电。

如图 3 所示，半桥驱动芯片采用美国硅通公司生产的电压型 PWM 控制器 SG3525A，是一 种性能优良，功能齐全，通用性很强的单片集成 PWM 控制器。该芯片简单可靠，且使用方便灵 活，通过适当外接电路，不仅能够实现 PWM 控制，还可以完成输入软启动、过载限流、过压保护、死区调节等多种功能。其工作原理为将触发脉冲变压器 T3 输出的两路互补的 PWM 驱动脉冲送至开关管 S2、S3 的栅极，控制两只功率管交替工作。SG3525A 内 的 振 荡 器 外 接 时

标电容CT，通过电阻RD 提供放电通路。改变RD 的数值则可以改变CT的放电时间，同时可以改变死区时间。而 CT 的充电电流则由RT 规定的电流源决定，SG3525A 的脚8 起到输入软启动作用。SG3525A 的振荡频率f=1/[CT×(0.7RT+RD)]。

图 3 半桥高频逆变电路

4 声共振的抑制

在采用高频电源点燃 HPSL 时，管内压力波的脉动从管内壁反射回来，若与灯的高频电流 的脉动成分相位相同，则形成驻波，产生声共振。只要镇流器的工作频率与其中的一个声振荡频率相同，就有可能产生声共振。

研究表明，在 8kHz～150kHz 频率范围内，易产生声共振。为此，对声共振的抑制国外文 献提出了许多方法，如直流叠加法、周期换相法和变频调制法，但因电路复杂及成本增加较多而 不能投入批量生产。而在适当的高频下，频率调制驱动技术是一种简单实用的新型技术，它在消 除高压钠灯电子镇流器中的声频共振现象时效果很好。如图 4 所示，本次实验采用了 555 定时器组成多谐振荡器，发出频率为 2kHz 的方波，使 S 4 不断地导通和关断，促使 SG3525A 的振荡器的脚 6 电平发生变化，结果就使镇流器的工作频率时刻围绕中心频率(35kHz ) 变化，有时即使遇到声频振荡频率，由于还来不及形成驻波，频率 就变化了，这样避免了声共振。

图 4 声共振的抑制原理图

5 实验结果

根据以上的设计，实验用高压钠灯型号为 NG400，数字存储示波器型号为 DS-5000 系列。 如图 5 所示，其启动电压为 7kV，脉冲宽度小于等于 0. 2μs。图 6 是高压钠灯正常工作时的电压 电流输出波形，通道 1 为电压输出波形，通道 2 为电流输出波形;电压有效值为 128V，电流最 大值为 9.8A，有效值为 4.7A。

图 5 高压钠灯启动波形

图 6 高压钠灯正常工作时的电压电流输出波形

6 结语

600W 的太阳能高压钠灯电子镇流器的实验结果表明其电路工作稳定，采用频率调制技术消 除了声共振，基本实现恒功率控制，高压钠灯可靠稳定的工作，说明达到了相关技术要求，并且 电路启动快，简单可靠。