毕业设计智能型钠灯电子镇流器设计.doc

2010届毕业设计任务书一、 课题名称：智能型钠灯电子镇流器设计二、指导教师：严俊三、设计内容与要求1、 课题概述 智能型钠灯电子镇流器是道路照明钠灯的电源，为钠灯提供启动电压和稳态工作电流，同时有可根据当地的日照情况、夜晚电压情况调节工作电流，降低功率，为道路提供适度照明，又节约电能的作用。该电子镇流器采用他激PWM控制调节工作电流，利用光电检测元件检测出日照情况送入单片机，确定人们夜晚活动时间（即人们在某个时段后，活动大幅度减少），调节节能开始时间。进入节能时间后，单片机发出控制信号调节开关器件的占空比，调节镇流器的输出电流，以降低功率；在整个照明期间，当电网电压波动时，可自动稳流；达到适度照明和节能的目的。该镇流器有体积小，启动快速，电流稳定，功率因数高、谐波分量小等优点。2、 设计内容与要求设计内容：（1）电子镇流器整流电路主电路的设计；（2）电子镇流器逆变电路主电路的设计；（3）MOSFER器件的选择及的驱动与保护电路设计；（4）PWM控制电路的设计；（5）光照及电压检测电路；（6）单片机控制电路及程序编写（流程图）；（7）其它辅助保护功能等设计。设计要求：（1）画出系统各环节电路图；（2）系统各环节的原理介绍；（3）系统各环节的元件参数计算及选择；（4）元件明细表；（5）程序流程图。四、设计参考书1、新型半导体器件及其应用实例 电子工业出版社2、光源电器原理和应用技术 化学工业出版社3、逆变器整流电源 机械工业出版社4、现代逆变技术及其应用 科学出版社5、新型开关电源设计与应用 科学出版社6、电子变压器手册 辽宁科学技术出版社7、半导体变流技术 机械工业出版社8、电力电子设备设计和应用手册 机械工业出版社 9、基于C语言编程MCS-51单片机原理及应用 清华大学版社10、自动检测技术 湖南铁道职业技术学院11、相关网站五、设计说明书要求a) 封面b) 目录c) 内容摘要(200400字左右，中英文)d) 引言e) 正文（设计方案比较与选择，设计方案原理、计算、分析、论证，设计结果的说明及特点）f) 结束语g) 附录(参考文献、图纸、材料清单等)六、毕业设计进程安排(小四、宋体)12周：布置任务，弄懂设计要求及原理。34周：镇流器整流主电路的设计，逆变主电路的设计，MOSFET驱动保护设计。58周：分析控制电路的工作原理，设计硬件系统，画出硬件电路。910周：全面整理书写毕业论文10周：写出毕业答辩提纲，进行毕业答辩。七、毕业设计答辩及论文要求(小四、宋体)1、毕业设计答辩要求答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。学生答辩时对自述部分应写出书面提纲，内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计与计算方法、实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。2、毕业设计论文要求文字要求:说明书要求打印(除图纸外)，不能手写。文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。图纸要求:按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。曲线图表要求：所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。前 言随着我国科学技术不断的发展，伴随我国城市现代化建设的突飞猛进，近年来城市道路照明快速发展，相应电费也大幅度攀升。据有关资料显示，城市路灯照明在我国照明耗电中占%的比例，在每年亿元的政府机构电力能耗中，城市公共照明部分能源支出达多亿元。但由于电能无法储存，多数城市的用电时段又过于集中，电能的使用效率不足%，存在用电时缺口巨大。 目前，国内大部分城市和地区几乎不约而同地采用了日本等国家在七十年代就抛弃了的路灯隔盏关灯的省钱方法，其中的弊病不言而喻不仅导致了路面照度分布不均，给治安及交通安全埋下了隐患，而且不能避免后半夜电网电压的升高对路灯寿命的减损，因此不能称作是真正意义上的节能。总之；智能型钠灯电子镇流器，针对中国城市路灯的用电现状，结合城市路灯管理需求，满足我国现代路灯的需要。在傍晚时和清晨时，根据光感自动开关。在晚上各大城市用电高峰期时自动升压，高峰期过后自动降压。自动控制电压而避免那钠灯跟电压1;3比例导致的浪费电力资源。 摘 要高压钠灯以其光效高、寿命长、光色好等优点而备受瞩目，然而，与之相匹配的电感镇流器由于功率因数低、体积大等诸多缺点，已不能满足人们对绿色能源的要求。设计与之配套的电子镇流器替代电感镇流器是高压钠灯照明系统的发展趋势。本文提出了一种电子镇流器设计方案，并进行了一定的理论分析和实验研究。 针对高压钠灯的稳态运行特点以及工作在高频状态下的缺陷，本文设计了一种低频的电子镇流器逆变电路。这种电路利用瞬时电流跟踪控制技术对高频信号进行低频调制，使流过灯的电流为低频电流，不仅起到镇流作用，还避免了高压钠灯的“声共振”现象。 本文简单分析了大功率高压钠灯启动方式并设计了一种逻辑控制的变压器耦合启动电。并结合逆变主电路的控制，设计了启动器的逻辑控制电路，从而不需要任何隔离措施，启动时数千伏的启动电压也不会对电路中其它元器件造成损坏。 本文简单介绍了无源和有源功率因数校正的工作原理，并利用功率因数校正芯片UC3854AB制作了电子镇流器的功率因数校正电路。 结果表明：该电子镇流器能很好的控制电压和稳态工作电流，并且有效的进行电能节约关键词：低压钠灯 电子镇流器 有源功率因数校正AbstractHigh Pressure Sodium Lamps (HPS) are notable for their high luminous efficacy, good color rendering and long life. But the traditional ferromagnetic ballast for HPS lamps due to lower power factor, high igniting current, lower efficiency, and large size, cannot satisfy the requirements for green energy. So it is time to design the electronic ballast to replace the core-coil ballast. A new method of planning electronic ballast is put forward to La this paper. Theoretical analysis and experimental results are.The results showed that: The electronic ballast can be a very good control of voltage and steady-state operating current, and effective conduct of energy conservationKeywords: low pressure sodium lamp electronic ballast Active Power Factor Correctio目 录前 言II摘 要IIAbstractIII第1章 电路设计的内容与分析11.1 设计内容11.2 设计要求1第2章 钠灯介绍32.1低压型钠灯介绍32.2高压钠灯的介绍32.3高压钠灯的结构和材料52.4高压钠灯启动特性6第3章 系统可行性分析与设计73.1电子镇流器与电感镇流器的比较73.2 总体电路设计与分析10第4章电子镇流器整流与功率因数校正控制124.1电子镇流器整流电路124.2电子镇流器功率因数校正控制14第5章 电子镇流器逆变介绍185.1电子镇流器高频逆变185.2高压点火电路分析185.3恒功率控制分析196.1 OSFET管的开通与关断226.2 RF840 MOSFET管介绍23第7章 谐振部分的设计247.1串联谐振的定义247.2 LC谐振回路的性能及特点24第8章 单片机控制电路及程序编写268.1单片机的介绍268.2 89V51RD2 简介268.3 X1227S8I简介268.4系统设计依据278.5单片机的程序编写298.6单片机供电电源29设计心得31致 谢32参考文献33附 录34第1章 电路设计的内容与分析1.1 设计内容智能型钠灯电子镇流器是道路照明钠灯的电源，针对中国城市路灯的用电现状，结合城市路灯管理需求，满足我国现代路灯的需要。在傍晚时和清晨时，根据光感自动开关。在晚上各大城市用电高峰期时自动升压，高峰期过后自动降压。自动控制电压而避免那钠灯跟电压1;3比例导致的浪费电力资源。该电子镇流器采用PWM控制调节工作电流，先确定人们与车辆夜晚活动时间，将单片机定好时，调节节能开始时间。进入节能时间后，单片机发出控制信号通过三极管调节开关器件的占空比，调节镇流器的输出电流，以降低功率；在整个照明期间，当电网电压波动时，可自动稳流；达到适度照明和节能的目的。该镇流器有体积小，启动快速，电流稳定，功率因数高、谐波分量小等优点。设计内容：（1）电子镇流器整流电路主电路的设计；（2）功率因数校正的电路设计；（3）电子镇流器逆变电路主电路的设计；（4）MOSFER器件的选择及的驱动与保护电路设计；（5）单片机控制电路及程序编写（流程图）；（6）其它辅助保护功能等设计。1.2 设计要求1.2.1高压钠灯电子镇流器的性能要求在使用中应使灯管具有的工作性能与电子镇流器性能相匹配，以使灯能工作在最佳状态，使用的电子镇流器应主要满足以下性能要求：(1)能够提供2kV以上且足够宽的触发启动电压。此电压使高压钠灯可靠启动，并且要求在启动过程中不得对灯和电子镇流器中的器件造成损害。(2)要求具有较高的功率因数。防止电子镇流器对电网产生谐波污染，避免对周围环境和设备产生电磁干扰。(3)要求具有完善的保护功能。在高压钠灯出现故障或烧毁时，电子镇流器不应损坏。技术指标额定电压220V输入电压170-264V电源频率50/60HZ工作频率30KHZ左右谐波含量6%功率因数0.99温度范围-2065负载类型高压钠灯负载功率250W表1第2章 钠灯介绍2.1低压型钠灯介绍2.1.1低压钠灯的应用低压钠灯辐射单色黄光，显色性差，适用于照度要求高但对显色性无要求的照明场所，如高速公路、高架铁路、公路隧道、桥梁、港口、堤岸、货场、建筑物标记以及各类建筑物安全防盗照明。由于黄色光透雾性强，该灯也适宜于多雾区域的照明。 图2-1低压钠灯实物图2.1.2低压钠灯的工作原理低压钠灯是基于低压钠稀有气体放电原理而发光的电光源。因室温时钠是固体，单纯使用钠的气体放电灯不易启动。在灯的玻管内充入氩氖混合气即潘宁气体后，灯放电时首先呈现氖的特征红光，并产生热量使放电管温度提高，导致钠开始蒸发；因钠的电离电位和激发电位比氖和氩低，放电很快转入钠蒸气中，辐射出可见光。2.1.3低压钠灯的特性低压钠灯灯管采用抗钠蒸气侵蚀的抗钠玻璃制作。为减少由于传导、对流产生的热损耗，将放电管置于真空圆柱形外玻壳内，玻壳内壁涂覆一层能透过可见光并能反射红外线的膜，以减少放电管的热辐射损耗，提高低压钠灯的发光效率。低压钠灯具有负放电伏安特性，燃点启动电压又较高，使用时一般采用漏磁变压器型镇流器，启动电压为400500V；并在镇流器输入端并联电容器,使功率因数大于0.9。当电源电压波动为10时,灯功率和光通量波动不应大于5。目前正在开发工作性能更为稳定的电子型镇流器。2.2高压钠灯的介绍2.2.1高压型钠灯的应用高压钠灯使用时发出金白色光，具有发光效率高、耗电少、寿命长、透雾能力强和不诱虫等优点。广泛应用于道路、高速公路、机场、码头、船坞、车站、广场、街道交汇处、工矿企业、公园、庭院照明及植物栽培。高显色高压钠灯主要应用于体育馆、展览厅、娱乐场、百货商店和宾馆等场所照明。图2-2高压钠灯实物图2.2.2高压钠灯的工作原理当灯泡启动后，电弧管两端电极之间产生电弧，由于电弧的高温作用使管内的钠汞齐受热蒸发成为汞蒸气和钠蒸气，阴极发射的电在向阳极运动过程中，撞击放电物质有原子，使其获得能量产生电离激发，然后由激发态回复到稳定态；或由电离态变为激发态，再回到基戊无限循环，多余的能量以光辐射的形式释放，便产生了光。高压钠灯中放电物质蒸气压很高，也即钠原子密度高，电子与钠原子之间碰撞次数频繁，使共振辐射谱线加宽，出现其它可见光谱的辐射，因此高压钠灯的光色优于低压钠灯。 高压钠灯是一种高强度气体放电灯泡。2.2.3高压钠灯的伏安特性高压钠灯同其他气体放电灯泡一样，工作是弧光放电状态，伏安特性曲线为负斜率，即灯泡电流上升，而灯泡电压却下降。在恒定电源条件下，为了保证灯泡稳定地工作，电路中必须串联具有正阻特性的电路无件来平衡这种负阻特性，稳定工作电流，该元件称为镇流器。电阻器、电容器、电子等均有限流作用。 电阻性镇流器体积小，价格便宜，与高压钠灯配套使用会发生启动困难，工作时电阻产生很高的热量，需有较大的散热空间、消耗功率很大，将会使电路总照明效率下降。它一般在直流电路中使用，百交流电路中使用灯光有明显所闪烁现象。 电容性镇流器虽然不像电阻性镇流器自身消耗功率很大，温升低，在电源频率较低时，电容器充电时，会产生脉冲峰值电流，对电极造成极大损害，灯光闪烁，影响灯泡使用寿命；电子镇流器在高频电路中工作，电压波动能达到理想状态，成为理想的镇流器。高压钠灯的点灯电路是一个非线性电路，功率因数较低，因此在网路上考虑接补偿电容，以提高网路的功率因数。2.3高压钠灯的结构和材料（1）电弧管电弧管是高压钠灯的关键部件。电弧管工作时，高温高压的钠蒸气腐蚀性极强，一般的抗钠玻璃和石英玻璃均不能胜任；而采用半透明多晶氧化铝和陶瓷管做电弧管管体较为理想。它不仅具有良好的耐高温和抗菌素钠蒸气腐蚀性能，还有良好的可见光穿越能力。（2）灯芯灯芯是采用金属支架将电弧管、消气剂环等固定在芯柱上，电弧管两端电极分别与芯柱上两根内导丝相连接。芯柱由导丝、排气管和喇叭经高温火焰熔融成一体。金属导丝与玻璃封接部分的膨胀系数应与匹配，可避免因二种封接材料的膨胀系数不相同，造成封接处玻璃产生应力而爆裂或灯泡慢性漏气。（3）玻壳玻壳是选用高温的硬料玻璃制造。玻壳与灯芯的喇叭口经高温火焰熔融封口，然后抽真空或充入惰性气体后，再装上灯头整个灯泡基本成型。由于电弧管在高温状态下工作，其外裸的金属极易氧化、变 脆，就必须将电弧管置于真空或惰性气体的外壳内。这样还可减少电弧管热量损失，提高冷端温度，提高发光效率。 （4）灯头灯头的作用是方便灯泡与灯座、电路相连接。长寿命灯泡要求灯头与玻壳连接应牢固，不能有松动和脱落现象。所以，目前一般采用螺纹机械紧固技术，可防止焊泥自然老化而脱落。制造灯头的材料一般采用黄铜带，它可与灯座保持较小的接触电阻，减轻金属表面氧化层。如灯泡在特殊环境中使用，还可以在黄铜灯头表面涂覆铬层或镍层。（5）消气剂玻壳内经抽真空后，其真空度仅为 6.6X10 -2 Pa ，仍可使金属零件氧化，影响灯泡稳定地工作；所以在玻壳内放置适量消气剂，可将灯泡内真空度提高到 1.4X10 -4 Pa 高真空状态。消气剂放置位置非常重要，以黑色镜面不阻碍光线输出为宜；在使用过程中如发现黑色镜面部分或全部变成灰白色，它指示该灯泡已漏气，不能继续使用，必须调换新灯泡。（6）汞汞常态时呈液态状，具有银白色镜面光泽。在电弧管中加入泵可提高灯管工作电压，降低工作电流，减小镇流器体积，改善电网的功率因数，增高电弧温度，提高辐射功率。（7）钠该元素呈银白色金属，也称金属钠。它的理化性能有质软而轻，可溶于汞生齐。钠光谱特点为共振辐射线宽，偏向红色区，总辐射功率高；高压钠灯的光色和发光效率与钠蒸气压有关。目前，工业化生产的高压钠灯均采用钠汞齐添加入灯泡内，可简化生产工艺，同时使灯泡参数一致性有很大提高。（8）氙氙气是一种稀有气体，它在灯泡中的作用是帮助启动和降低启动电压。氙气压的高低还将影响灯泡的发光。2.4高压钠灯启动特性高压钠灯启动后，在初始阶段是汞蒸气和氙气的低气压放电。这时候，灯泡工作电压很低，电流很大；随着放电过程的继续进行，电弧温度渐渐上升，汞、钠蒸气压由放电管最冷端温度所决定，当放电管冷端温度达到稳定，放电便趋向稳定，灯泡的光通量、工作电压、工作电流和功率也处于正常工作状态。在正常工作条件下，整个启动过程约需 10 分钟左右。结语：在本次钠灯的分析当中根据钠灯的稳定性，实用性和运用方面我们选用高压钠灯作为本此设计的主要器件。第3章 系统可行性分析与设计3.1电子镇流器与电感镇流器的比较如果说电子镇流器是风华正茂的“恰同学少年”，电感镇流器则早已走过自己的“豆蔻年华”，步入到“三十而立”的人生旅程。一边是电子镇流器技术不断改进革新的蓬勃发展，一边是电感镇流器已然成熟却面临挑战的江河日下。两者的比较我们到底选择什么样的镇流器最好呢？3.1.1电子与电感镇流器的原理电子镇流器工作原理电子镇流器是将工频交流电源转换成高频交流电源的变换器。基本工作原理是：工频电源经过射频干扰(RFI)滤波器，全波整流和有源功率因数校正器(APFC)后，变为直流电源。通过DC/AC变换器，输出20K-100KHZ的高频交流电源，加到与灯连接的LC串联谐振电路加热灯丝，同时在电容器上产生谐振高压，加在灯管两端，但使灯管放电变成导通状态，再进入发光状态，此时高频电感起限制电流增大的作用，保证灯管获得正常工作所需的灯电压和灯电流。电子镇流器的分类：A、按安装模式可分为：独立式、内装式整体式;B、按性能特点可分为：普通型、高功率因数型、高性能型、高性价比型、可调光型。电感镇流器工作原理当向开关闭合电路中施加220V50HZ的交流电源时，电流流过镇流器，灯管灯丝启辉器给灯丝加热(启辉器开始时是断开的，由于施压了大于190V以上的交流电压，使得启辉器内的跳泡内的气体弧光放电，使得双金属片加热变形，两个电极靠在一起，形成通路给灯丝加热)，当启动器的两个电极靠在一起，由于没有弧光放电，双金属片冷却，两极分开，由于电感镇流器呈感性，当电路突然中断时，在灯两端会产生持续时间约1ms的600V-1500V的脉冲电压，其确切的电压值取决于灯的类型。在放电的情况下，灯的两端电压立即下降，此时镇流器一方面对灯电流进行限制作用，另一方面使电源电压和灯的工作电流之间产生55。-65。的相位差，从而维持灯的二次启动电压，使灯能更稳定的工作。3.1.2比较环节(1)节能性比较电子镇流器a用电子式镇流器时，高压钠灯的工作频率为30-50KHZ；b自身消耗的功率：小；c：电网负荷和电网损耗：小。电感镇流器a用传统电感式镇流器时，高压钠灯的工作频率为50HZ；b自身消耗的功率：大；c：电网负荷和电网损耗：大。(2)对启辉条件的要求电子镇流器a温度：电子镇流器由于在启动时激发的能量大，在-25时就能正常启辉；b电压：电子镇流器在电网电压为100V时能正常启辉。电感镇流器a温度：电感式镇流器由于在启动时激发的能量小，所以必须在10以上才能正常启辉；b电压：电感式镇流器在电源电压小于180V时不能启辉。(3)对灯管寿命的影响电子镇流器a启辉过程对灯管寿命的影响：电子镇流器无论是在低温或低电压情况下，都是经过灯丝预热后一次启辉；b电网电压波动对灯管寿命的影响：电子镇隙能做到在135V250V的电网电压范围内灯电流不变，使高压钠灯始终工作于最佳状态，从而大幅度地提高灯管的使用寿命。电感镇流器a启辉过程对灯管寿命的影响：电感式镇流器往往要启辉好几次才能将高压钠灯点亮，而高压钠灯每启辉一次就要缩短二小时寿命；b电网电压波动对灯管寿命的影响：当电网电压偏低时，灯电流也随着降低。灯电流的降低将造成灯丝加热不足，灯丝电子粉溅射，造成灯管两端发黑和缩短灯管使用寿命。当电源电压偏高时，灯电流也随着上升，灯电流过大将造成电弧管过早衰竭而缩短灯管寿命。(4)对环境的影响电子镇流器a噪声：小；b频闪：几乎无频闪；c温升：电子镇流器的表面最高温度一般都在50度左右；d电磁波干扰：电子镇流器工作时产生的电磁干扰较小。电感镇流器a噪声：大；b频闪：较慢；c温升：电感镇流器自身损耗较大，造成了在工作时温度很高；d电磁波干扰：电感镇流器工作时产生的电磁干扰较大。四轮比较过后，可以看出电子镇流器在以下几方面明显优于电感镇流器：1) 节能：电子镇流器自身的功率损耗仅为电感镇流器的40%左右，而且高压钠灯在30KHZ左右的高频下，光效将提高20%，工作电流仅为电感的40%左右，并且能够在低温、低压下启动和工作；2) 无频闪：灯管在30KHZ左右工作时，发光稳定；3) 无噪声：有利于在安静的环境中工作；4) 灯管寿命延长：无需启辉器，不被反复冲击，闪烁，不会使灯管过早发黑，一次启动，减少维修和更换启辉器和灯管的工作量；5) 功率因数高，减少了无功损耗，提高了供电设备容量的有效利用率，减少线路的损耗。3.2 总体电路设计与分析3.2.1 电路流程图输入交流电整流滤波后将高频电逆变2kV瞬时启动高压钠灯利用单片机控制来减小电压进行节能总电路流程图3.2.2 高压钠灯电子镇流器电路框图根据电子镇流器的基本要求，本文介绍的高频电子镇流器主要包括整流，滤波器、功率因数校正电路、功率因数校正控制及保护电路、点火电路、半桥逆变电路、半桥逆变控制电路等部分组成，滤波器起防止或减轻电磁干扰的作用；功率因数校正变换器用以提高输入端功率因数及提供400VDC左右的电压；半桥逆变电路则提供了高频交流电压，因为高强度气体放电灯需要工作于交流状态，防止极化；点火电路则在启动瞬间提供高压用于击穿气体；半桥逆变制及保护电路则为MOSFET提供脉冲及保护，使高压钠灯能正常工作。EMI滤波器及整流电路功率因数校正电路半桥逆变电路高压点火电路单片机的控制与保护电路电路高压钠灯3-2 高压钠灯电子镇流器电路框图第4章 电子镇流器整流与功率因数校正控制4.1电子镇流器整流电路（1）整流电路工作原理设变压器，u2为其有效值。 当u2为正半周期时，D1和D3管导通，D2和D4管截止，电流由A点流出，方向如图所示。Uo=u2，D2和D4管承受的反向电压为-u2。 当U2为负半周期时，D2和D4管导通，D1和D3管截止，电流由B点流出，方向如图所示。Uo=-U2，D1和D3管承受的反向电压为U2。由于D1,D3和D2，D4两对二极管交替导通，致使负载电阻Rl上在U2的整个周期内都有电流流过，而且方向不变，输出电压 Uo=|。如图所示为其电压和电流的波形，实现了全部整流。图4-1 单相桥式整流电路原理图 图4-2 整流电路波形图(1) 输出电压平均值Uo(2) 负载电流平均值的计算 由于我们取220V的交流电压电网 用二极管整流出来后 二极管承受最大的电压为=266V输出平均电压为198V。我们选用1N4007型号整流二极管，其耐压值1000V。4.2电子镇流器功率因数校正控制为了减少镇流器输入电流的谐波失真，必须采取一些特殊措施，通常称之为功率因数校正(PFCPowerFactorCorrection)技术来提高它的功率因数。大致说来，功率因数校正有两种方案：无源功率因数校正(PassivePFC)和有源功率因数校(ActivePFC)，我们的电路设计应用的是有源功率因数校正，其校正可达到0.981。4.2.1有源功率因数校正的基本原理有源功率因数校正的基本原理可用下图所示的简单电路来说明，由APFC控制MOS管VT1的开通与关断，使输入电流变成一连串的的三角波，并且它的幅度按输入电压的正弦规律变化，因此可以大大提高电路的功率因数。此电路由功率MOS开关管VT1、升压电感L、升压二极管VD、输出电容C。及APFC控制及APFC控制器IC所组成。电路的具体工作情况如下：图4-2 有源功率因数补偿电路原理图（1）开关管VT1导通在APFC控制器输出高电平(正方波)信号的控制下使VT1导通时，开关管VT1导通，此时二极管因受输出直流电压Vo的反偏而截止，整流后在电容C1上得到的是一个单向的正弦电压(电容C的容量不能太大)，将在电感L中产生电流。当电感电流的峰值增加到与该时刻输入电压大小相对应的某一数值I时，APFC控制器便输出低电平的开关信号，使开关管VT1截止，电流IL停止上升。（2）开关管VT1截止时 由于电感电流IL不能突变，只能有原来的数值线性下降。电感的磁能释放出来，与输入电压相叠加，对电解电容器Co充电，电容上面的电压显然笔输入电压高。因此这种电路称为升压式APFC电路。在开关管截止时，电感电流下降，下降到零时，他有输出控制信号，是开关管在一次导通，开始下一个开关周期。4.2.2功率因数校正方法概述功率因数校正可简单地定义为有功功率与视在功率之比。即 PF=其中有功功率是一个周期内电流和电压瞬时值乘积的平均值，而视在功率是电流的rms值与电压的rms值的乘积。如果电流和电压是正弦波而且同相，则功率因数是1.0。如果两者是正弦波但是不同相，则功率因数是相位角的余弦。在电工基础课程中，功率因数往往就是如此定义，但是它仅适用于特定情况，即电流和电压都是纯正弦波。这种情况发生在负载由电阻、电容和电感元件组成，而且均为线性（不随电流和电压变化）的条件下。因为输入电路的原因，开关模式电源对于电网电源表现为非线性阻抗。输入电路通常由半波或全波整流器及其后面的储能电容器组成，该电容器能够将电压维持在接近于输入正弦波峰值电压值处，直至下一个峰值到来时对电容再进行充电。在这种情况下，只在输入波形的各峰值处从输入端吸收电流，而且电流脉冲必须包含足够的能量，以便在下一个峰值到来之前能维持负载电压。这一过程通过在短时间内将大量电荷注入电容，然后由电容器缓慢地向负载放电来实现，之后再重复这一周期。电流脉冲为周期的10%到20%是十分常见的，这意味着脉冲电流应为平均电流的5到10倍。4.3 功率因数校正控制及保护电路的分析该图主要由ICL6562、电感T1、功率管Q1、色环电阻R9、整流二极管D1、大电容C7等周边电路组成，构成BoostPFC电路。L6562的1脚为误差放大器反相输入端，用来检测大电容C7上的电压(400V)，通过和IC内部2.5V基准比较后，产生一个误差信号，送乘法器(L6562内部集成)输入端。乘法器的另一个输入(L6562的3脚)是经整流的交流线路电压的采样，即乘法器的输出信号是一个经全波整流的正弦波。乘法器的输出是一个参考电压，作为电流感测比较器(L6562内部集成)同相输入端的输入信号，R9上的电流采样作为电流感测比较器的反相输入端。电流感测比较器的输出参与控制Q1的开关。当Q1导通时，D1截止，此时电感电流线性增加。一旦电流感测比较器反相输入端上的电流感测信号达到同相端上的参考电平，比较器则改变状态，使Q1关断，而D1导通，这时电感器中的储能释放，电感电流线性减小，直到减小到零。感测器T1的辅助绕组用作高灵敏度的传感器，当电感电流达到零，Q1立刻导通，新的开关周期开始，电感电流再次从零开始线性增加。各开关周期中的峰值电感电流的包络波实际上是参考电压电平，它正比于交流输入电压。由于平均输入电流正比于输入电压，呈正弦波且与输入电压趋于同相位。从而实现了功率因数校正。图4-3 L6562接线图L6562采用8引脚DIP和SO封装，L6562的内部乘法器带有THD最低化专门电路，能有效控制AC输入电流的交越失真和误差放大器输出纹波失真，从而提供高功率因数和非常低的THDL6562的其它特点如下：具有10.322V的宽电源电压范围；具有低于70tA的启动电流和低于4mA的工作电流，并且含有截止功能，因而特别适用于遥控开关控制，并且能满足“蓝天使”、“能源之星”和“Energy2000”等标准；借助于电压误差放大器和-4-1的内部精密电压参考，可控制PFC的DC输出电压。有过电压保护功能，能安全处理启动和负载断开时产生的过电压；在电流感测脚内嵌RC低通滤波电路，可减少外部元件数量和PCB面积；带有源电流灌电流为一600800mA的推挽式输出级，并带有欠压锁定(UVID)下拉和15V的电压钳位，可驱动功率MOSFET或IGBT，从而可使变换器输出功率高达300W图4-4 L6562芯片组成框图图4-5 L6562芯片引脚图符号引脚参数数值单位Vcc8IC电源电压（Icc =20 mA）自动限制VIGD7输出峰值电流0.8A-1 4模拟输入和输出-0.3 to 8VIZCD5零电流检测器最大电流-50（source）10（sink）MaPtot功耗Tamb = 50 （DIP-8）(SO-8)10.65WTj交界处的工作温度范围-40 to 150CTstg存储温度-55 to 150C表2第5章 电子镇流器逆变介绍5.1电子镇流器高频逆变 高频逆变是高压钠灯电子镇流器的重要组成部分，通常采用半桥逆变电路和全桥逆变电路。半桥逆变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，但少用两个功率管，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，且前者成本比后者高，故选择半桥高频逆变电路。L6574可以直接驱动半桥电路的两个MOS管，从而大大简化了外围电路。利用使能引脚8、9可以方便地实现电子镇流器的保护和再启动功能。通过内部运放5、6、7等引脚，L6574可以实现闭环控制，其方框图所示，7脚接基准电压，6脚检测灯电流，当6脚电压高于一定值时，5脚输出为低电平，二极管D1导通，流出4脚Rign的电流加大，图中电容C的充电速度加快，即半桥驱动电路的频率上升；反之，当6脚电压低于时，7脚输出高电平，D1截止，流出4脚Rign的电流减小，图4.2中C7(3脚)充电速度减慢，频率下降，从而方便地对逆变频率进行调制，可有效防止声谐振的发生。通过调节，的大小还可以方便地实现镇流器调光。 图5-1 L6574闭环控制方框图5.2高压点火电路分析刚开机时，L6574以最大频率工作，也就是给灯管预热，此时灯管还未点亮。在L6574的频率减小过程中，当其频率等于输出电感和C19的串联谐振的谐振频率时，才会在电容C19、两端触发高压，从而把灯管点亮。我们算出预热到灯电路的点火这段时间，为，我们取预热时间为9分钟，算出预热到灯电路的点火这段时间为1分钟。设预热频率为35KHZ，点火频率30HZ5.3恒功率控制分析恒功率部分是由半桥变换的电流采样，即通过主板上的R25的电压，与L6574的7脚接的R10的电压进行比较获得。如果半桥变换的电流采样大L6574的7脚电压，就会在L6574的5脚输出低电平，也就相当于给R19并联一个68K的电阻，即R19的实际阻值减小，L6574的开关频率就上升，但输出电感不变，所以输出功率减小。则半桥变换的电流采样也就又变小，这时L6574的5脚输出是高电平，R19又恢复到了62k，开关频率又变回原来正常工作的频率，实现恒功率输出。图5-2 L6574接线图L6574采用SO16N和PID16封装其内部包括压控振荡器(VCO)、运算放大器、带有保护功能的比较器、控制逻辑电路、高端与低端驱动器、电源及自举驱动电路等。L 6574的高端和低端驱动器输出对外接MOSFET或IGBT提供合适的栅极驱动信号。高端浮置电源电压达600V以上,灌入/输出电流为450/250mA,在1n F容性负载下,开关上升/下降时间为80/40ns,在工作温度范围内,d V/d t=50V/ns,具有优良的抗噪扰特性。L 6574利用获得专利的集成自举二极管,与外部自举电容提供自举电压驱动高端DMOS,并利用高压DMOS,获得与低端外接功率MOSFET同步。接于CPRE脚的电容用固定的电流充电,为灯管设定预热时间(tPRE=kPRECPRE)。在tPRE期间,输出开关频率为fPRE。当tPRE结束后,CPRE电容先放电后用不同的电流充电,以设定第二个时间间隔tSH,通tSH=0.1tPRE。在tSH期间,频率从fPRE下降至fING,完成灯点火功能。在日光灯正常点燃时,调节L6574的振荡频率可以实现闭环控制。为此,运算放大器输出可以加在RING脚。VCO输入可调节灯光输出。两个门限电压为0.6V的CMOS比较器完成过电压和灯脱落等保护功能。其输入端的窄脉冲(200ns)能被识别。L 6574的导通门限电压为10V,关断门限电压是8V,VS被钳位于15.6V。当EN 1输入高电平时,L 6574进入关闭状态。当EN 2输入高电平时,重新开始预热程序。图5-3 L6574引脚图序号符号功能1CPRE预热定时电容，设定预热和频率偏移时间。在预热Tpre期间，Cpre充电至3.5V；在频率偏移（Tsh=0.1Tpre），充电电流取决于Rpre值。在稳态下，该脚电压是5V2RPRE该脚与地之间接一电阻，设定最高振荡频率Fpre，确定Fpre与最低振荡频率Fing之间的差值。该脚电压固定在2V3CF与Ppre和Ping一起，设定Fpre和Fing。常态下，该脚电压呈三角波4RING该脚与地之间接电阻，设定最低振荡频率Fing值。该脚电压固定于2V5OPOUT运算放大器输出，履行闭环反馈6OPIN-运行放大器反相输入7OPIN+运行放大器同相输入8EN1使器件进入闭锁状态，为日光灯万一出现脱落这样的故障专门设计9EN2在第一次点火之后，如灯管不能击穿，使灯在启动10GND地11LVG低端驱动器输出，通过一限流电阻与MOSFET或IGBT栅极相接12Vs电源电压，该脚必须接滤波电容器，在内部被钳位于15.6V13N.C空脚14OUT高端驱动器浮置基准，必须与高端MOSFET或IGBT源极相接15HVG高端驱动输出，通过限流电阻与高端MOSFET或IGBT栅极相接16VBOOT自举电源电压。该脚与Vs脚之间连接自举电容。采用专利技术省略外接自举二极管。通过高压DMOS与低端功率MOSFET同步驱动表3第6章 MOSFET的驱动设计MOSFET的开关过程其输出脉冲电流峰值1050A范围，频率20100KHZ范围连续可调。其中，DC/AC变换采用全招拓扑，通过改变其工作频率来实现对输出脉冲电流频率的调节。由于最高输出脉冲电流频率为100KHZ，因此选用的MOSEFET作为主功率开关器件，并采用移动相PWM控制方式实现零电压开关，以减小高频开关损耗。MOSFET属于电压控制型号器件，其输入阻抗高，所需静态驱动率很小，,并且还有开关速度快、工作频率高的特点.另外,电力MOSFET的热稳定性优于GTR,但是电力MOSFET的电流容量小,耐压低,一般只适用于功率不超过10Kw的电力电子装置中。6.1 OSFET管的开通与关断在开通与关断过程中的漏源电压Uds，漏源电流Io，删源电压Ucs和栅极充电电荷Qs的变化曲线。MOSFET的开通与关断可分为四个部分：开通延迟阶段（关断延迟阶段）逐渐开通阶段（逐渐关断阶段）密勒平台产生阶段完全导通阶段（完全关断阶段）图6-1 MOSFET的开通与关断过程MOSFET的驱动电路应满足如下要求：(1)具有足够快的开关速度，最大工作频率可达100kHz。为此，驱动脉冲应具有足够陡的上升和下降速度，即驱动脉冲本身延迟要小。开通时，能够提供足够大的瞬时峰值电流，使得开通延迟和密勒平台时间足够短；关断时，能为栅极电荷提供低阻放电回路，从而提高MOSFET的关断速度。(2)由于栅极驱动电压是相对于MOSFET管的源极而言的，而在桥式电路中，同一桥臂的上管和下管的源极电位是不同的，即不同MOSFET的驱动信号基准点是不同的。同时，为了避免功率变换电路对控制电路产生干扰，驱动电路必须实现功率变换电路与控制电路的电气隔离。(3)为防止MOSFET误导通，在MOSFET关断时，应提供一定的负偏电压，以提高其抗干扰能力。(4)为保证MOSFET的可靠开通，应使驱动电压高于MOSFET的开起电压，通常取1015V。我们在驱动电路中采用的是IRF840 MOSFET管驱动电路6.2 RF840 MOSFET管介绍IRF840 MOSFET电力场效应晶体管在导通时只有一种极性的载流子(多数载流子)参与导电，是单极型晶体管。电力场效应晶体管是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的一个显著特点是驱动电路简单，驱动功率小。其第二个显著特点是开关速度快，工作频率高，电力MOSFET的工作频率在下降时间主要由输入回路时间常数决定。MOSFET的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系。使用者虽然无法降低Cin的值，但可以降低栅极驱动回路信号源内阻Rs的值，从而减小栅极回路的充放电时间常数，加快开关速度。IRF 840为单极型器件，没有少数载流子的存储效应，输入阻抗高，因而开关速度可以提高，驱动功率小，电路简单。但是，功率MOSFET的极间电容较大，因而工作速度和驱动源内阻抗有关。我们采用500V，8A的MOSFET管子图6-2 IRF840实物与引脚图第7章 谐振部分的设计串联谐振由隔离变压器、调频调压电源、激励变压器、电抗器和电容分压器组成。其电容与电抗器构成串联谐振连接方式；调频功率输出经激励变压器耦合给串联谐振回路，提供串联谐振的激励功率。7.1串联谐振的定义串联谐振在具有电阻R、电感L和电容C元件的交流电路中，电路两端的电压与其中电流位相一般是不同的。如果我们调节电路元件（L或C）的参数或电源频率，可以使它们位相相同，整个电路呈现为纯电阻性。电路达到这种状态称之为谐振。在谐振状态下，电路的总阻抗达到极值或近似达到极值。在电阻、电感及电容所组成的串联电路内，当容抗XC与感抗XL相等时，即XCXL，电路中的电压U与电流I的相位相同，电路呈现纯电阻性，这种现象叫串联谐振当电路发生串联谐振时，电路的阻抗Z=R2+XC-XL2=R,电路中总阻抗最小，电流将达到最大值。7.2 LC谐振回路的性能及特点图为一LC串联谐振电路，其中R表示线圈L的损耗电阻。该电路的交流阻抗为Z=R+j（），当回路发生谐振时， =0，故回路的谐振频率为：f0= 该电路谐振时的特点是，回路的阻抗最小且Z0R；信号电压一定时，回路的电流最大且I0；电感或电容两端的电压最大，且是信号电压的Q倍。Q的定义为： Q。 Q叫回路的品质因数。图7-1 LC串联谐振电路图图7-2镇流器LC串联谐振电路图工作过程启动前高压钠灯自身相当于开路状态，上电后上电后使电源的串联电感与所串联的总电容在电源的工作频率下发生谐振，这是一种电压谐振，会在串联电容两端产生很高的电压(将谐振电压设计得高于灯的启动电压)。串联电容cp。当谐振高压的主要分量出现在CP两端，同时也出现在与CP并联的高压钠灯两端，只要此电压高于高压钠灯的最小启动值就可以点亮高压钠灯。点亮后灯端的并联电容CP被灯电弧短路，由于灯电弧的阻抗远远低于灯开路时的阻抗，使串联谐振条件被打破，电路由谐振状态开始向新的交流稳定状态过渡，依靠串联电感L.的限流作用使高压钠灯工作点得以稳定。首先我们取工作电压为280V第8章 单片机控制电路及程序编写8.1单片机的介绍单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。8.2 89V51RD2 简介它的主要特点是包含有64 KB的非易失性Flash程序存储器和1 024字节的数据RAM存储器。前者支持并行和串行在系统编程(ISP)，属低EMI方式(ALE禁能)；具有4个8位IO端口，3个高电流P1端口(每个IO端口的电流为16 mA)，可兼容TTL和CMOS逻辑电平。该微控制器性价比高，可简化整个系统电