（电力电子与电力传动专业论文）400w高压钠灯电子镇流器的研究.pdf

a b s t r a c t h i 时lp r e s s t l r es o d i u ml a m p so w s a r e n o t a b l ef o rt h e i rh i g hl u m i n o u se f f i c a c y g o o d c o l o rr e n d e r i n ga n dl o n gl i f e b u tt h et r a d i t i o n a lf e r r o m a g n e t i cb a l l a s tf o rh p s l a m p sd u e t ol o w e rp o w e rf a c t o r h i 豳i g n i t i n gc u r r e n t l o w e re f f i c i e n c y a n dl a r g e s i z e c a n n o ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n t sf o rg r e e ne n e r g y s oi t i st i m et od e s i g nt h e e l e c t r o m cb m l a s t t o r e p l a c e t h ec o r e c o i lb a l l a s t an e wm e t h o do fp l a n n i n g e l e c t r o n i cb a l l a s ti s p u t f o r w a r dt oi n t h i s p a p e r t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t sa r cg i v e nf o rt h ep r o p o s e de l e c t r o n i cb a l l a s t t h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ei i m i t a t i o n su n d e rh i g hc o n d i t i o no fl i p s l a m p sa r ed e s c t i b e d a c c o r d i n gt o t h e s e an e wl o wf r e q u e n c yi n v e r tc i r c u i ti s d e s i g n e db a s e d o nc u r r e n t t r a c ki nt h i sp a p e r a n a l y z i n g t h ei g d j t i n gm e t h o do fl cr e s o n a n c ea n dc o n s i d e r i n gt h ec o n t r o lo f t h ei n v e r t e dm a i nc i r c u i t t h i sp a p e rd e s i g n sa l li g n i t i n gc i r c u i tw i t ht r a n s f o r m e r c o u p l i n gc o n t r o h e db yl o g i c t h ea d v a n t a g eo f t h ea b o v ec i r c u i ti st h a ti td o e sn o t n e e da n y s e p a r a t i o n i i l o l e o v e tt h eo t h e rp a r t si nt h e c k c u i td o e sn o td a m a g e db yt h e t h o u s a n d so f v o l t s d u r i n g t h e i g n i t i n g w h a tm o i e t h i sp a p e rp r e s e n t st h et h e o r yo ft h ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n a n d d e s i g n 血ea p p r o p r i a t e dc i t e u i t 诵t h t h ec h i po f p f c u c 3 8 5 4 a b k e y w o r d s h i g hp r e s s u r es o d i u ml a m p e l e c t r o n i cb a l l a s t c u r r e n t t r a c k a c t i v e p o w e r f a c t o rc o r r e c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果 也不包含为获得金艘王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意 学位论文作者签名 毋伊易 旁嘭 签字日期移 4 庠6 月f 占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒目l 王些盔堂有关保留 使用学位论文的规定 有权保留 并向国家有关郝门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被套阅和借阅 本人授权 金 g i 王些友堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 易卢泓 签字日期辨匆月l 6 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 导师签名 l 火埘喘 签字日期 锄 年6 月 6 日 电话 邮编 致谢 三年的研究生生活就要结束了 回首这三年 能源所给了我一个全新的平 台和开阔的视野 令我接触了一个新的世界 老师们亲切的关怀 同学们悉心 的帮助令人终身难忘 三年的学习中受到导师沈玉榇研究员的悉心指导和亲切关怀 沈老师渊博 的理论知识 一丝不苟的工作作风使我受益匪浅 我每一点一滴的进步 都是 在沈老师悉心指导和辛勤栽培下取得的 衷心感谢沈老师 感谢苏老师在学习方面为我提供了许多便利条件 并在生活上给了我许多 帮助 使我在各方面都取得了长足的进步 苏老师严谨求实的科学作风 忘我 的工作精神 开阔的胸怀 谦虚和蔼的为人 诲人不倦的良师风范 都深深地 感染和教育了我 使我一生受益 在学习 研究和论文工作中 还得到了张国荣老师 茆美琴老师的热情指 导 张老师和茆老师平易近人 与他们在一起我学到很多知识和处世之道 在 此我向他们表示深深地感谢 向所有在研究生阶段曾经帮助过我的老师深表谢意 还有我那些关心帮助 我的所有同学 向他们表示感谢 感谢我的父母 我的一切都是他们给予的 而我却无法报答他们了 感谢我的兄弟姐妹 他们对我的关心和鼓励是对我最大的支持 感谢我的妻子女儿 他们已成为我力量的源泉 最后 在此感谢审阅 评议本论文及参加论文答辩的专家和老师们 作者 王雪飞 2 0 0 4 年5 月 1 1 气体放电灯及其特性 第一章绪论 1 1 1 电光源的发展 自从1 8 7 9 年爱迪生发明白炽灯以来 电光源在照明中就得到大范围的应 用 据统计世界上现在有大约6 0 0 0 多种电灯 它们可以被归纳为六个大类 白 炽灯 荧光灯 汞蒸气灯 金属卤化物灯 高压钠灯 低压钠灯 除自炽灯外 其余的各种光源都可以叫做气体放电灯 荧光灯和低压钠灯属于低压气体放电 灯 而汞蒸气灯 金属卤化物灯和高压钠灯 h p s 属于高压气体放电灯 即 高强度气体放电灯 h i g bi m e n s i t yd i s c h a r g el a m p h i d 1 9 3 8 年问世的荧光灯 是照明史上的一个飞跃 它的出现改变了自炽灯一 统天下的局面 与白炽灯相比 荧光灯及其它种类的气体放电灯大大提高了照 明系统的发光效率 图卜一1 因此能节约大量电能 在这些电光源中 高压钠灯的光效是最高的 它的最高光效有1 3 0 1 m w 除此之外 高压钠灯还有寿命长 光色好等优点 高压钠灯的寿命长达2 4 0 0 0 小时 普通的高压钠灯所发出的光为金白色 还可以通过在灯管中充不同的气 体来改变光色 因为优点突出 所以高压钠灯被广泛应用于广场 道路 码头 铁路 矿山等室外照明系统 一 巅 9 图1 一l 不同电光源光效对比图 1 1 2 气体放电伏安特性 在一般情况下 气体是良好的绝缘体 然而当气体放电时 气体就变成了 良导体a 气体所具有的电导是由外部电离源引起的 若在充以低压强气体的放 电管两端加上足够高的电压 在放电管内将有电流流过 随着电流密度的增加 可观察到气体放电现象 图l 一2气体放电伏安特性曲线 图1 2 所示 在i 区 盖革区 此时放电管两端所加电压较低 在外部 电离源作用下 管内电离形成的电子和离子在外加电压形成的极闻电场中漂移 形成微弱的电流 且电流是间歇性的 当外界电离源消失后放电即停止 此阶 段放电属于非自持放电 电压上升到一定时 进入 区 汤生区 这一区域的 放电也是间歇性的 仍属于非自持放电 然而 在此区域电压非常小的上升将 导致电流的急剧增长 当电流增加到如图1 2 中所指的 电流击穿 点时 放 电变为自持的了 不需要外界电离源 此时 放电的发光很微弱 故称为自持 暗放电区 m 区 电流击穿后 若迸一步增加放电电流直至某一点时 会发生电压击穿 此 时 放电管两极间电压稍微变化 从此点开始 进入亚正常辉光放电区域 在此区域内 电压急剧下降至一个相对低的水平 电流则迅速增大 当继续增 大电流 放电进入正常辉光放电区域v 此区域内若增大电流 电压基本不变 随着电流的进一步增加 当整个阴极表面全部被辉光所覆盖后 电压将随着电 流的增加而上升 放电进入异常辉光放电区域 正常和异常辉光放电都有较 高的阴极位降 所以也称之为高阴极位降辉光放电 让电流继续增大 当电压 随之上升一点时 最大值 时 将由原来的增加变为突降 而且降得很低 但 电流却猛增 这就是弧光放电 弧光放电电流一般在o 1 a 以上 放电时 管内 出现明显的弧光 阴极温度迅速升高 弧光放电当然也是一种自持放电 弧光放电是热阴极放电 在此之前的放电形式都属于冷阴极放电 冷阴极辉光放电与热阴极弧光放电相比 由于前者存在着高的阴极位降 因此 在两种放电保持同样的光输出条件下 前者所需功率约为后者的两倍 前面所述的几种气体放电灯都是工作在热阴极弧光放电区 霓虹灯一般采用冷 阴极正常辉光 第v 区域 放电形式工作 高压铺灯 h p s 工作在弧光放电区域 气体放电在弧光放电区域有 重要 特性 放电电流增大时 管压降反而减小 这就是说 放电表现出一种负阻特 性 其伏安特性也因而称为负伏安特性 这种负伏安特性如图1 2 所示 图中 横坐标 是放电电流 纵坐标 是管压降 曲线表示管压降u 随电流 增大而 减小 v 图l 3弧光放电负阻特性 气体放电负伏安特性的出现 原因是这样的 在此区域内 当电流f 增加时 电子一正离子对产生的速率将高于损失速 率 从而使放电不稳定 力了维持放电的稳定 只有当电流 增大时 设法减 少电子的电离碰撞次数来减少电离量 亦即设法降低电子温度 这必须使电子 在电场中获得的输入能量减小 即要降低沿管轴方向的电场强度 而轴向电场 强度的降低 意味着管压将的降低 正是这种原因使放电产生了放电电流增加 而管压降反而减小的负阻特性 若不采取措施 负阻特性会使放电无法稳定 为使放电稳定 必须在放电 管两端串联稳流 弧 装置 使整个系统为正伏安特性 才能使放电获得稳定 的电流和电弧 这种装置被称为镇流器 1 2电子镇流器的起源与发展 如前所述 高压钠灯必须和镇流器相串联才能稳定工作 为减小限流元件 的能量损耗 高压钠灯 般采用消耗有功功率不多的电抗性元件 电感作镇 流器 电感镇流器的优点是可靠性较高 使用寿命较长 但是这种采用大电感 镇流的照明系统不可避免的具有以下几个缺点 1 功率因数低 一般为o 4 左右 这种照明系统的大量使用增加了电网的无 功负担 2 重量大 体积大 损耗大 噪音大 一般交流供电系统的频率只有几十 赫兹 所以以电感等无源元件构成的镇流器在工频下要起到有效的限流效果就 要有较大的元件标称值 同时也会有一较大的体积 而且在工频下交流电感产 生的电磁振荡是人耳可以听到的 这就形成了电感式镇流器所特有的工频噪声 另外 一般情况高压钠灯灯电感镇流器的损耗为灯功率的2 0 左右 对于较大 规格的高压钠灯灯照明系统 也是不容忽视的问题 3 功率稳定性差 电网电压变化时 灯功率变化大 会缩短高压钠灯的寿 命 鉴于上述电感镇流器一一h p s 灯照明系统存在的诸多缺点 这种照明系统 己不能满足人们高质量的用电要求 早在5 0 年代 有人就针对电感镇流器存在的一些弊端 开始了对其改进的 研究 并提出了采用电子镇流器的设想 1 9 6 3 年 r o d d a m 在 晶体管变流器与 换能器 一书中 首次发表了荧光灯交流电子镇流器具体电路 并进行了详细 的分析和讨论 只是由于当时没有可供选择的功率开关晶体管 r o d d a m 的设 计方案并未得到实施 在2 0 世纪7 0 年代出现了世界性的能源危机 导致了许多公司致力于新型 节能电光源及荧光灯交流电子镇流器的研究 半导体技术的目新月异的飞速发 展 各种作为开关使用的高反压功率器件不断出现 为交流电子镇流器的产生 提供了前提条件 7 0 年代耒 荷兰飞利浦等公司率先研制成功了荧光灯交流电 子镇流器 这是照明电器发展史上的一项重大创新 进入9 0 年代 随着高压钠灯等气体放电灯的广泛使用 其缺点尤其是对电 网的污染问题日益突出 人们开始致力于将电子镇流器推广到高强度气体放电 灯领域 最初的荧光灯电子镇流器研究只是基于一种简单的设想 因为电感式镇流 器 庞大 的体积 特别是较大功率的气体放电灯 给电气安装带来不便以及 镇流器中的电磁振荡会产生噪音污染 提高镇流嚣中 镇流 元件的工作频率 既可以减小镇流元件体积又可以使高频振荡所产生的噪声高于人耳可感知的听 觉频段 低于1 8 k h z 同时放电灯在较高的频率下工作会有更高的光效 普通 直管型荧光灯可以提高1 0 2 0 低频频闪问题在高频下也能得到妥善的解 决 高压钠灯电子镇流器技术仍然从本质上体现着这一简单的思想 只是随着 相关学科 电工技术 电光源技术 微电子技术等 的不断发展 在实现形式和研 究深度上都有了很大的进步 目前 电子镇流器技术研究主要是围绕提高照明 质量 改善照明环境 减少电力污染等几个方面展开的 并且突出的表现在以 下几个方面 1 电力电子技术的发展是电子镇流器应用的基础 电力电子技术领域中出 现的新器件 新结构 新方法不断地被应用于电子镇流器设计与制作 2 微电子技术的巨大进步有力地推动电子镇流器技术发展 随着微电子技 术的进步 新型高质量的功率和控制器件的出现使各种新型电路结构 新的控 制手段得以在电子镇流器电路中有效的应用 高性能的电子镇流器专用集成控 制芯片 如u c c 2 3 0 5 3 3 0 5 和新型的功率开关器件己成为国际上几家主要的半导 体生产厂家致力研究与推广的重要产品 在一些公司 如j m o t o r o l a 等1 的产品中实现了单片集成电路内部的高 低压部分的电气隔离 使得高频逆变 电路的驱动问题开始变得简单而可靠 3 良好的安全性是电子镇流器广泛应用的前提 电子镇流器技术研究的目 标是使之能够全面替代电感镇流器 成为气体放电灯标准的配件 作为一种关 系到千家万户生活质量的消费品如果没有很高的安全系数 那么大规模推广使 用恐怕很难实现 电子镇流器的安全性由元器件可靠性 电路结构的稳定性 控制电路的可靠性等几个方面组成 这也是电力电子技术领域一个令人瞩目的 研究方向 近年来国际上不少学者采用系统科学的研究方法在这一较新的领域 做出了许多有益的探索 4 励率因数校正技术是实现绿色照明的重要手段 由于电子镇流器同其它 高频开关电源一样 在正弦电压供电下 电流将严重畸变 并含有大量谐波 不加任何滤波的电子镇流器 功率因数只有o 4 o 6 谐波总量可达基波的1 3 0 18 0 所以 i e c 5 5 5 和砸c 1 0 0 0 标准对电子镇流器的功率因数 各次谐 波等运行参数做了明确的裁定 为此 必须采用无源或有源滤波电路 来消除 谐波对电网的污染 近年来 电子镇流器功率因数校正技术 诸如单位功率因 数的实现 电网高次谐波含量的分析及其抑制方法的研究是高性能电子镇流器 研究的主要方向 5 大功率电子镇流器技术的研究是绿色照明工程的深入发展 低压荧光灯 用电子镇流器研制成功的基础上 各国的电子镇流器设计者正致力于研制适合 高强度放电灯的高性能电子镇流器 以解决当前采用大电感镇流的高强度气体 放电灯照明系统存在的诸多缺点 6 计算机仿真技术在高性能电子镇流器设计中起到了越来越重要的作用 近二十年来 计算机的仿真技术作为c a d 自动化的一个有力的工具 己广泛用 于电力电子电路 或系统 的分析中 由于h p s 灯具有特殊的启动特性一非线性 时变电阻特性 使得h i d 灯用电子镇流器的控制较为复杂 加之几千伏的高压 实验耗费大 所以利用国际通用电子电路仿真软件对h p s 灯用电子镇流器进行 仿真研究 这对于电子镇流器优化设计 研究推广都具有重要的意义 总之 电子镇流器是电力电子技术应用中的一个典型产品 许多电力电子 新技术 诸如功率因数校正 谐波抑制 软开关 多重保护等都可以在高性能 电子镇流器中得到应用 以提高其可靠性和改善其性能 目前 堂墨占三奎璺盟垦叁堑兰 h 廷堡 垒司 差垦堡公司塑德国q 墨幽 垒亟塑投厶揸出 珏发太功壅电壬篮流器 4 蝤鹭谢自来存 家公司能够推出实 目化2 如巡丛土高压铀虹皂壬镇流器 据了解 美国g e 公司最大仅推出1 3 0 w 商品化高强度气体放电灯电子镇流器 而德国o s r a m 公司最大也仅仅推出 1 2 0 w 商品化高强度气体放电灯电子镇流器 对其某些型号电子镇流器的测试 结果来看 其产品性能指标并不高 近年来 国内研制的h p s 灯用电子镇流器也取得了很大进展 一些电光源 生产厂家己先期研究开发出了高压钠灯电子镇流器产品 有些指标己达到某些 国外的产品 诸如 广东肇庆的n g d z 系列 深圳中电照明的e b s 系列等产品 这些产品虽大都采用专用i c 器件 但仍存在一些问题 如功率因数 谐波含量 抗干扰能力 安全指标等还达不到要求 灯启动问题 声共振问题 恒功率问 题也没有得到很好的解决 1 3 高压钠灯对电子镇流器的要求 高压钠灯与荧光灯相比有两个特殊问题 一是启动 高压钠灯启动是需要 高达数千伏的启动电压 二是声共振问题 声共振现象是指高强度气体放电灯在高频电流驱动时 表现出的放电电弧不稳定性 即当灯的电弧腔体的声振动频率与电源供给灯功 率的频率相同时所产生的共振 这时电源供给灯的频率在电弧腔体中产生的压 力波与由管壁来的反射波相同 形成驻波 从而产生声共振 声共振可造成电 弧电压突然升高 电弧弯曲 摇晃 严重时会吹断电弧 甚至使电弧管爆裂 声共振的频率与许多因素有关 如放电管的形状 尺寸 管中气体压力 温度 灯的使用寿命等等 而且对于不同厂家 不同批号的灯 甚至是同一批 号的 每一支灯的声共振频率范围也不相同 更重要的是 随着灯的使用寿命 的延长 声共振点会有所改变 因此解决声共振问题有很大的难度 目前消除声共振的方法主要分两类 第一类是镇流器提供给u p s 灯电源能量的频率不落在可能产生声共振的频 带内 这种方法需要计算并检测灯的声共振频率的范围 但是如前所述 灯的 声共振频率与许多因素有关 计算所得的几个主要频带与实际相差甚大 若是 一 检测 费事不说 所得到的参数不具有共性 也无法傲到电子镇流器的通 用性 也就是说 换灯就要换镇流器 或者调整镇流器的参数 此外还有超高 频工作方式 然而 超高频工作时 管子的开关损耗增加 降低了电子镇流器 的效率 第二类是镇流器提供给 i p s 灯的高频能量的幅值不超过声共振频率的能量 阎值 即灯功率谱拓宽控制方式 下一章将对这种方法做出详细的分析 虽然高压钠灯电子镇流器的思想源于荧光灯电子镇流器 但是h p s 灯的特 性比荧光灯复杂的多 它们具有与荧光灯明显不同的几个特征 一是需要比荧 光灯大很多的冷灯启动电压 二是在高频电流驱动下易产生 声共振 现象 三是热灯无法启动 四是h p s 灯的功率规格通常比荧光灯大 根据h p s 灯的特 点 对电子镇流器提出以下几项具体要求 1 能够有效的控制灯功率的输出 目前国产荧光灯交流电子镇流器大多数 在4 0 w 以下 最大的输出功率不过8 0 w 4 0 w 双管 而l i p s 灯的功率达数百 瓦 有的h p s 灯达1 0 0 0 w 很好的控制灯的输出 使输出功率在h p s 灯允许 的功率范围内 不仅能发挥l i p s 灯的优点 而且不影晌灯的寿命 6 2 能够提供足够高的触发启动电压 l i p s 灯的启动电压往往达3 4 k v 比荧光灯高3 5 倍 产生3 0 0 0 v 以上的高压并不困难 但是要求这一高压必 须匹配l i p s 灯的启动特性 使i i p s 灯可靠的启动 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 f 3 1 能消除 声共振 现象 i p s 灯工作在高频电源供电的情况下 会出现 放电电弧不稳定的现象 轻则使灯光抖动 重贝8 烧毁灯管 电弧不稳往往引起 息弧 随电压升高电流急剧增大 最终会导致电子镇流器和h p s 灯两败俱伤 在h i d 灯出现故障或烧毁时 电子镇流器不应损坏 像h p s 灯常年用 作室外照明 在露天的场合 冬天低至零下4 0 度 夏天高至零上4 0 度的情况 屡见不鲜 h i d 灯往往要连续燃点1 0 个小时左右 为此要求电子镇流器有完善 的保护功能 同时还要求供电突然中断又立即恢复时能正常工作 综上所述 理想的电子镇流器须具备以下几个条件 a 成本低 价格便宜 b 对电网没有污染 即功率因数为1 谐波含量低 c 电子镇流器不能影响灯的寿命 d 无频闪 无噪音 这些要求是互相矛盾 互相影响的 不可能全部满足 以上几点概括了h p s 灯等h i d 灯电子镇流器的关键问题 本课题也围绕这 些问题设计电子镇流器系统 具体的设计和实验结果将在以后几章中给出 1 4 本课题的任务 本课题的任务是通过分析高压钠灯的特性 提出合理的电子镇流器控制方 法 并设计制作以一只电子镇流器样品 所要解决的主要问题有 1 选择合适的电子镇流器主电路拓扑结构 2 确定逆变电路的控制方法 因为逆变电路是电子镇流器的关键部分 所以如何控制就成为电子镇流器设计的关键问题 3 设计可靠的启动电路 启动电路不仅要产生高达数千伏的启动脉冲 电压t 而且所产生的高压不得对电子镇流器其它部分的器件造成伤 害 4 设计合理的功率因数校正电路 提高电子镇流器输入端功率因数并 减少电流谐波含量 第二章高压钠灯电子镇流器原理 2 1电子镇流器的结构框图 高压钠灯电子镇流器起源于荧光灯电子镇流器 所以在总体结构上与荧光 灯电子镇流器类似 但是具体的电路拓扑和控制方法要复杂得多 图2 1 所示 高压钠灯电子镇流器的原理框图 图2 1h p s 灯电子镇流器原理方框图 由图可知 电子镇流器实质上是一个a c d c a c 变换电路 e m i 滤波电路 和整流及功率因数校正 p f c 电路构成电子镇流器的a c d c 部分 p f c 技术 的应用使得输入电流的谐波古量很低 只需采取简单的e m i 措施即可 逆变电路是电子镇流器的核心部分 控制和驱动电路用于按要求产生和调 节一系列控制脉冲来控制开关管的导通和关断 这对于电子镇流器的性能至关 重要 辅助电源是用于产生控制和保护电路中有源器件所需的低压直流电源以及 启动器的电源 保护措施是必不可少的 启动器的作用是提供高压钠灯启动时所需的几千 伏的高压脉冲 而且部分保护措施需要在启动电路中实现 在h p s 灯电子镇流器领域的研究中 新的拓扑结构和控制方法不断出现 对于不同的设计方案 结构上也会有所变化 但主要的结构可归纳为三种 第一种结构是沿袭传统电感镇流器的工作模式基础上的三级式的电子镇流 器 三级式的电子镇流器主要思想是使电子镇流器工作在高频状态下 但是用 低频恒流源来直接驱动l i p s 灯 灯能够稳定工作 无需电感镇流器 e b s 公司 的j a n e sm e l t s 于1 9 9 4 年发表了采用低频恒流源的h i d 灯电子镇流器 镇流器 的结构框图和灯电流和灯两端电压波形见图2 2 和图2 3 所示 三级式的电子镇流器的主要特点是 前一级是经过整流的市电通过b o o s t 结构的升压电路 使电子镇流器的功率因数得到提高 采用适当的控制策略 使中间级的b u c k 电路成为一种功率可调的恒流源 后面的方波逆变器就工作在 低频方式下 一般是1 0 0 4 0 0 h z 左右 目的是避免h p s 灯工作在直流状态下影 响灯的寿命 三级式结构中的第二级b u c k 电路和第三级方波逆变构成了这种结 构的核心 它们相当于图1 5 所示的一般性结构中的高频变换级 这种工作方 式的电子镇流器驱动l i p s 灯时 就不会有声共振现象发生 经过不断的完善和 改进 u n i t r o d e 公司于1 9 9 6 年推出了低频恒工作方式的h i d 灯电子镇流器的 控制芯片u c 2 3 3 0 5 u c 2 3 3 0 5 的主要功能是完成对b o o s tp f c 级 b u c k 恒流 级和方波逆变级的主开关的控制 u c 2 3 3 0 5 是目前应用最广泛的h i d 灯电子 镇流器集成芯片 这也从一个侧面反映了低频恒流源驱动的h i d 灯是目前最为 成功的方式 但是 这种方法的缺点也很明显 从图1 5 中可以看出 它需要 三级功率变换器 造成整个电子镇流器的效率不是很高 而且成本不低 整个 电子镇流器需要至少6 个可控开关 控制也比较复杂 图2 2三级式电子镇流器框图 图2 3 三级式的电子镇流器的电压和电流 第二种h i d 灯的电子镇流器拓扑可以称b 级式电子镇流器 它弥 f t 级式电子镇流器的一些缺点 这种结构的电子镇流器和h p s 灯都工作在高频状 态下 电子镇流器的结构如图2 4 所示 采用这种二级式的电子镇流器结构 前一级仍然是b o o s t 结构的功率因数校正电路 后一级是高频半桥逆变电路 通 过适当的负载谐振回路 流过高压钠灯的电流为高频电流 这样就使电子镇流 器的效率提高 图2 4两级式的电子镇菠器框图 这种二级式的电子镇流器结构虽然使电子镇流器的性能得到提高 但是也 带来了一些问题 例如h p s 灯的声共振问题 高频下的逆变器的损耗问题等等 二级式的电子镇流器是电子镇流器研究的热点 第三种电子镇流器的拓扑是单级的高功率因数变换电子镇流器 这种 i n t e g r a t e d 思想的单功率级电子镇流器的主要方法是把用作a p f c 的校正环 节的功率器件和d 类功率逆变器的功率器件 在满足一定条件的情况下 合并 起来 它的具体电路结构有很多变化 2 0 0 3 年3 月的i e e e t r a n s a c t i o n 上 西班 牙的j m a l o n s o 等人优化了这种方法 使这种单级的电子镇流器的设计有了系 统的方法 以上三种基本结构 或者说是三种方案中 第一种最为成功 在1 5 0 w 以 下的高压钠灯中应用比较广泛 后面两种方法用在 s 灯方面还处于实验室阶 段 第二种方法的最大难题是解决高频下灯的声共振 另外 包括l i p s 灯在内 的高强度气体放电灯工作在高频状态时 很容易熄孤 至于第三种方法 即使 用作荧光灯的电子镇流器 也没有处于实用阶段 这种电路结构看起来简单 电路工作状态却很复杂 所以对控制电路和保护措施的要求也较高 功率器件 的电压和电流应力大大提高 但是用在小功率的气体放电灯电子镇流器上 还 是很有成本优势 2 2 电子镇流器的逆变部分的基本拓扑结构 常用的电子镇流器逆变主电路一般有推挽逆变电路 半桥逆变电路和全桥 逆变电路三种基本主电路形式 图2 一j 所示的推挽电路 将升压变压器的中性抽头接于正电源 两路相反 的p 硎驱动脉冲送至开关管v t l v t 2 的基极 控制两只功率管交替工作 得到 方波交流电压经变压器输出 由于功率晶体管共地 驱动及控制电路简单 另 外由于变压器具有一定的漏感 可限制短路电流 因而提高了电路的可靠锰 其缺点是正负半波可能不平衡 容易造成直流偏磁问题 此外开关管的耐压值 要高于直流输入电压两倍以上 和全桥逆变相比它对开关器件的耐压值要高出 1 0 一倍 只适合于原边电压比较低的功率变换器 半桥逆变电路的原理图如图2 6 所示 在直流侧接有两个相互串联的足够 大的电容 使得两个电容的联接点a 为直流电源的中点 当t 1 t 2 都截止时 电容连接点电压为直流输入电压的一半 开关器件v t l 和v t 2 基极信号在一个 周期内各有半周正偏 半周反偏 且二者互补 当v t l 闭合 v t 2 断开 时 中点电位将有所上升 当v t 2 闭合 v t l 断开 时 中点电位将有所下降 半 桥逆变电路使用的功率器件少 驱动简单 抗电路不平衡能力强 但输出交流 电压的幅值仅为v d 2 同样输出功率条件下 功率管额定电流值要大于全桥逆 变电路两倍 蠹i j 时e 臻 图2 5 推挽逆变电路图2 6 半桥逆变电路 悻 y p q h 忆 j 图2 7 全桥逆变电路 1 3 4 图2 7 所示的全桥逆变电路与半桥电路的区别是用两只同样的开关管代 替了两只电容 全桥逆变电路工作需要两组相位相反的驱动脉冲分别控制两对 开关管 功率晶体管v t l v t 2 和v t 3 v t 4 反相 v t i 和v t 3 相位互差1 8 0 度 调节v t i 和v t 3 的输出脉冲宽度 输出交流电压或电流的有效值即随之改变 该电路拓朴结构及控制较为复杂 元件较多 成本较高 由于主电路可以输出 高压和大电流 所以一般常用于高压大功率逆变电源系统 推挽电路在早期的荧光灯电子镇流器上应用较多 渐渐的已被半桥电路代 替 半桥电路在电子镇流器上运用的最为广泛 而且目前仍然流行 无论是荧 光灯 还是1 0 0 w 以下的小功率的高强度气体放电灯 都得到设计者的青睐 但 在大功率的h i d 灯的电子镇流器中 更多的是采用全桥逆变电路 本漯题设计 的是4 0 0 w 的h p s 灯电子镇流器 所以采用图2 7 所示的全桥逆变电路 2 3 电子镇流器的控制方法 逆变部分是电子镇流器的核心部分 所以对电子镇流器控制方法的研究主 要是针对逆变电路的控制 在控制方法的研究中 如何消除灯的声共振是关键 问题 按照目前消除声共振的方式可以把电子镇流器的控制方法分为三种 即 高频信号的低频调制 变频调制和变幅值调制以及白噪声调制方法 2 2 1 高频信号的低频调制 传统的电子镇流器控制方式仅用高频信号来控制灯端电流 但是实验和理 论均证明这种控制方式无法解决声共振问题 达到电弧稳定 于是人们便想到 可以把低频信号和高频信号叠加在一起 运用调制原理 这样既可以保证加在 灯端的信号避开声共振的频带 解决声共振的问题 还可以避免在低频情况下 变压器的体积和重量过大 电子镇流器的设计者们希望能够实现如图2 8 所示 的控制信号 其中高频信号为2 0 4 0 k i i z 而其包络线为几十到几百赫兹的低 频信号 既可以是图中的方波也可以是正弦波信号 图2 9 所示为全桥型的电 子镇流器逆变部分的拓扑结构 v t l 和v t 4 构成一组桥臂 v t 2 和v t 3 构成 一组桥臂 可以让上面的两个功率管v t l 和v t 3 采用高频控制 下面的两个功 率管v t 2 和v t 4 采用低频控制 从而实现高低频的叠加 通过改变低频包络线 的幅值可以达到控制输出功率的目的 v d c 图2 8 低频调制方法的控制信号 图2 9 全桥拓扑结构 l2 v t 3 v n 2 2 2 变频和变幅值调制 所谓变频调制 是控制灯端电流围绕着一个中心频率上下不停变化 这样 即使这个中心频率周围存在某个声共振频率 因为灯端电流不在这个频率上停 留 使得幅值达不到产生声共振所需能量要求 也就避开了声共振 变幅值调 制是在高频信号上加上一个低频正弦波包络线 使灯端电流频率不变 而幅值 不断变化 从而达到消豫声共振的目的 这两种调制方法 都是基于图2 1 0 所示的原理 首先讨论变频调制的方法 在没加低频调制信号以前 先要选择一个中心 频率 这个中心频率由直流给定信号决定 在一个没有声共振现象的区域 比 如2 2 k h z 2 8 k h z 之间 然后选择一个调制的频率范围 一般为 2 5 k h z 到 5 k h z 在选好的中 i i 频率给定信号上叠加确定好频率的低频调制信号 这个调 制信号的幅值决定了变频的范围 周期决定了频率交化的快慢 这样灯端电流 就会围绕着这个中心频率实时的变化 这里调制的幅度与速度都可以通过改变 低频调制信号的幅值和频率来改变 图2 1 1 为变频控制时灯电流波形变化示 意图 图中 丁为周期变化范围 因为频率不是固定在一点上 所以就不会在 固定的频率上形成驻波而产生声共振 电 图2 1 0变频和变幅值调制的控制回路框图 j 镪 l j n 一 r i i 一 f 胁 雌 则 7 图2 1 1 变频控制的电流波形图2 一1 2 变幅值控制的电流波形 对于固定频率调制幅值的方法与调节频率的方法类似 首先要在高于 1 8 1 d l z 的一个没有声共振的频带内选择电子镇流器的工作频率 然后确定低频 调制信号的频率和幅值 通过插入的调制信号来改变高频信号的占空比 这样 电流信号的幅值包络就随着占空比的改变实时地变化 图2 1 2 所示 因为引 9 起声共振的因素不仅仅是频率 当在声共振的频率范围内 信号的幅值不足以 引起声共振 也能保证电弧的稳定 这种幅值调制的方法正是将高频信号的幅 值削减 而将一部分能量转化为低频信号叠加在一起 这样既能保证加在h i d 灯上总的信号幅值足够的大 同时又能抑制高频信号的幅值 避免声共振 2 2 3 白噪声调制 还有一种频率调制方法是白噪声调制 如图2 1 3 所示 在灯运行的过程 中 电压和电流信号就被随机调制 应用这种方法最重要的就是要选定一个合 适的中心振荡频率f 0 如果选择的不合适 当加入白噪声后 可能引起弧的不 稳定现象更加严重 另外还要选择合适的噪声带宽 如果噪声带宽太小 则调 制的效果不明显 如果噪声带宽的范围很大 不但不能解决声共振问题 反而 可能使电弧的抖动更加严重 电 图2 1 3 白噪声调制的控制回路框图 在本课题的研究中 采用了高频信号的低频调制方法抑制灯的声共振 具 体设计见第三章 第三章4 0 0 wi t p s 灯电子镇流器的研究与实现 3 1 设计思路 在 2 1 所述三种电子镇流器的组成结构中 第 种结构框图的中间级 b u c k 电路所起的作用是把电压源性质的直流电源变换成电流源性质的直流电 源 再经过后一级的逆变电路转化为交流方波供给h p s 灯 那么可不可以不用 中间级 而是通过逆变电路直接把功率因数校正环节输出的直流电压变换为低 频电流源性质的交流电源呢 本课题正是根据这个思路 研究和设计了一种基 于电流跟踪控制的低频灯端电流电子镇流器 其方框图与 1 4 所述的三种组 成结构的第二种相类似 只是逆变电路的输出并不是高频方波 而是低频的正 弦波电流 图3 一il i p s 灯电子镇流器方框图 3 1 1 影响h p s 灯电压的因素 对于i i p s 灯来说 当灯功率变化时 灯电压的变化相当大 其v p 曲线 如图3 2 所示 除了灯功率对灯电压的影响外 在灯的寿命期内 随着燃点时 间的增加h p s 灯的端电压还会逐渐上升 图3 3 针对额定功率的h p s 灯 它有一个允许的最大功率和一个最小功率 最大功率是灯能给出合理的寿命和 光通维持特性所允许有的最大功率 最小功率是灯能提供合理的光输出和满意 漾 v 幽 甘 囊 灯功率 图3 2 h p s 灯的v p 曲线 装 v 捌 御 囊 灯寿最 x 图3 3 灯电压v h 曲线 的温升时间所允许的最小功率 如额定功率为4 0 0 w 的高压钠灯的功率允许范 围是2 8 0 w 4 7 5 w 3 1 2 恒电流控制的可行性 h p s 灯的理想工作状态是在整个寿命期间都工作在额定功率下 那么理想 的镇流器就是不管灯电压如何都能使任意的一只h p s 灯在额定功率之下工作 在现代电力电子技术不断发展的今天 这是完全能够做到的 但是h p s 灯的特 性异常复杂 要想做到恒功率控制 控制方法和措施也将非常复杂 这种电子 镇流器的成本也就可想而知了 既然h p s 灯有一个克许的功率范围 那么可以考虑不用恒功率控制 所采 取的控制方法只要使灯工作在它的功率范围之内就可以了 恒电流控制行不行 昵 首先要看h p s 灯能不能稳定工作 镇流器的作用就是要克服h p s 灯的负阻 特性 使灯能够工作在稳定的电流下 恒电流特性的镇流器无疑是正的伏安特 性 无论电压怎么变化 流过灯的电流都是一个定值 所以灯肯定驻够稳定工 作 其次是能否选择一个电流值 使得灯在整个寿命期内都能工作在其允许的 功率范围内 高压钠灯的技术数据见表3 一l 表3 1 各种规格高压钠灯技术数据 磕宰c 们 55 0 7 0l o ol o 2 6 0 l 嘲 灯电压 甲 e 50 6 e 2l o o1 0 01 0 0l n 6i o 灯电茂c a o 5 4n 7 i 1 舶1 柏 n o 51 0 m 光矗 1 m 2 0 呻s 8 0 0 5 0 0 4 5 0 02 b 口呻 摹口e ol o 的 光教c i m w 1 e t明0 3口5 71 0 0 l 土ol i o 平均寿奇 h i 枷o2 o o o 椰o ot 枷o量船 o o2 枷o2 曲 盏r头e 2 7e 嚣e 盯e 船e 臼e e o e 樯 强长 m m s 53 51 53 s5 毫7 00 ai 蜂值息番奄压 k v 2 st s土 s 5 5 5 补售龟謇掌量 i 零 矗l oi 士l l2 03 6 l d o 出表可知 4 0 0 w 高压钠灯的灯电压为1 0 5 v 灯电流为4 4 5 a 但这只是 它的标称值 事实上4 9 0 w 高压钠灯在点燃1 0 0 小时后 允许的灯电压为8 5 v 1 15 v 在寿命期内 4 0 0 w 高压钠灯允许的最大工作电压为1 4 0 v 再由4 0 0 w 高压钠灯的功率范围2 8 0 w 4 7 5 w 可以得到灯工作在虽大电压情况下时 允 6 许的工作电流为 驴芒 s 川 一s 4 a 3 1 灯工作在电流3 4 a 电压8 5 v 时 功率为2 8 9 w a 大于最小允许功率2 8 0 w 这就说明在恒电流控制是完全可以的 这种方法的缺点就是在很长一段时间内 不能充分利用h p s 灯的照度 随着h p s 灯的设计技术的进步和制造工艺的改善 灯电压在寿命期内上升幅值已变小 绘定电流可以提高一点 这里我们给出的 恒审 流值是3 5 a 3 1 3 恒电流控制的方法 除了灯电流的有效值为恒定以外 还需要灯电流为低频交流电 这是为了 避免h p s 灯产生声共振 根据反馈控制规律 要想控制某个量基本不变 只要引入这个量的负反馈 就可以了 在这里想要控制电流 就要引入电流负反馈 为实现灯电流为恒值 低频交流电流 一个简单实用的方法就是电流跟踪控制 这种方法控制的逆变 电路也被成为跟踪型逆变电路 电流跟踪型逆变电路常用的控制方式有滞环比 较器方式和三角波比较方式 一 滞环比较器方式 图3 4 所示为滞环电流跟踩控制原理图 图3 5 是给定电流为正弦波信号的电流波形图 图3 4 滞环比较器方式电流跟踪 i l 底 7 洲 f 心 圈3 5 滞环比较方式电流跟踪波形 d 3 d 4 如图3 4 所示 指令电流i t 和电流反馈信号i 之差i i 作为滞环比较器 的输入 通过其输出来控制四个功率开关管的通断 设灯电流i 的方向如图所 示 当v t l v t 4 导通时 i 增大 当i 增大到i a 时比较器动作 v t l v t 4 关断 v t 2 v t 3 或v d 2 v d 3 导通 f 随之减小 当i 减 b n 产一 时 v t l v t 4 重新导通 v t 2 v t 3 关断 i 又将增大 是滞环比较器的环宽 则电流i 在 产一a 和 f a 之间呈锯齿状跟踪给定电流产 滞环的环宽 的大小对跟踪性能有较大影响 过大时 开关频率降低 但是跟踪误差增大 过小 跟踪误差减小 但开关频率会过高 开关损耗增大 这种两组桥臂在每个周期内都互补导通的功率管切换方式为双电压极性切 换 还有一种单电压极性切换方式 这种切换方式下 每半周期只有一组桥臂 工作 另一组关断 而且工作的 组功率管中只有一只管子工作在斩波状态 另一只在这半个周期内始终导通 图3 6 是功率管的驱动信号波形 其所得电 流波形与双极性波形类似 与双电压极性切换模式相比 单电压极性切换有以下优点 a 只有一只功 率管动作 开关损耗减小 b 主电路各物理量的动态应力 如d 出及d i d t 小 于双电压极性切换模式 因此对控制电路的干扰也小于双电压极性切换模式 但是单电压极性切换模式的控制电路要稍微复杂 点 对滞环比较器方式电流 跟踪p w m 逆变电路来说 需要附加一些简单的逻辑控制电路 滞环比较器方式电流跟踪p w m 控制方法的特点是 a 硬件电路简单 b 属 于实时控制t 电流响应快 c 不用载波 但是输出电流中所含谐波较多 d 适应 性强 对负载和电源电压交化不敏感 具有较强的鲁棒性 e 对噪声敏感 v t l v t 2 v t 3 v t 4 i 幽口删 广 厂 厂 广 广 图3 6 单极性切换模式驱动信号 二 三角波比较方式 如图3 7 所示 这种方法是把指令电流产和逆变电 路的实际输出电流i 相减 求出偏差电流岔 通过放大器放大后 再去和三角 8 波进行比较 产生p w m 波形 放大器通常是比例或比例积分调节器 其参数 直接影响逆变电路的电流跟踪的效果 在这种三角波比较控制方式中 功率管 的开关频率是个定值 即等于载波频率 三角波比较方式实际