基于电流跟踪控制的高压钠灯电子镇流器研制

引言

高压钠灯（HPS灯）是一种性能优异的高强度气体放电灯（HID灯），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，高压钠灯也呈负V－I特性，需要镇流器来抑制灯电流，而且启动时需要3～4kV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，所以，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。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，工作频率需要时刻围绕中心频率上下变化，但这给控制造成不小的困难，为此本文提出了一种基于电流跟踪控制的低频电子镇流器。

1 控制原理与电路分析

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APFC(有源功率因数校正电路)，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。

1.1 整流及APFC

二极管不控整流的输入电压虽然是正弦的，但输入电流却严重畸变，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；输入电流基本为正弦波，谐波含量大大减少。这里采用UC3854控制的Boost电路作为APFC电路（图2）。UC3854是美国Unitrode公司生产的高功率因数校正芯片，此芯片采用电压电流双闭环控制，电流内环使用平均电流模式控制。电压检测信号和同步信号相乘作为电流给定，Rs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380V。UC3854以及控制电路的电源来自辅助电源，辅助电源是由脉宽调制器UC3844控制的反激变换器构成的，它可提供多路输出。

逆变电路是电子镇流器最重要的部分，通常采用半桥逆变或全桥逆变电路。半桥逆变电路的输出电压是全桥的一半，在功率管电流相等的情况下，全桥电路的输出功率是半桥的2倍，但多用2只功率管。考虑到400W高压钠灯二次触发电压在150～190V，且APFC输出电压为380V，所以，半桥电路输出的电压完全能够满足二次触发的需要，而且半桥电路与全桥电路功率管的电压应力相同，但前者成本比后者低，因此，在这里采用半桥逆变电路（图3）。

电子镇流器的本质上就是限制流过灯的电流。根据反馈控制规律，想要控制某个量，引入这个量的负反馈就可以。图3所示的逆变电路拓扑实际上仍然是一种高频变换器结构，为使流过高压钠灯的电流为低频电流，这里采用滞环比较电流跟踪型PWM控制。其原理如图3虚线框内所示，它由滞环比较器构成。给定电流信号ig和电流反馈信号if之差ig－if作为滞环比较器的输入，通过其输出来控制S2和S3的通断。设灯电流iL的方向如图3所示，当S2（或D2）导通时，iL增大，当S3(或D3)导通时，iL减小。设滞环比较器的环宽为ΔI，若电流反馈系数为k（=if/iL），电流iL在（ig－ΔI）/k和（ig＋ΔI）/k范围内呈锯齿状跟踪给定电流，如图4所示。为简单起见，电流给定信号取自电网电压正弦波信号。