毕业论文课件基于IR2153半桥串联谐振的高压钠灯研究

1、研究背景及目标 高压钠灯属第三代节能型高强度气体放电( HID)光源,其凭借高光效、紫外线辐射小、良好的透雾性、长寿命、耐震、亮度高等优点,广泛应用于交通、工厂等公共道路照明中。但是由于气体放电灯的负阻特性,要使气体放电灯稳定工作,往往需要专门的限流线路才能工作，也就是大家熟知的镇流器。其中电子镇流器以其功率因数高、效率高、体积小、重量轻、无频闪等优点,所以深入研究电子镇流器将是一直需要研究的课题，目的是完善它的功能，使其节能，成本不断降低，应用更加广泛。 其中电子镇流器的重要组成部分-控制电路。在控制电路设计中，经常应用到SG3525或TL494等芯片作为半桥驱动，但是大多需要做一臂隔离或两

2、臂隔离。IR2153芯片正是克服了这个缺点，它的驱动能力较强，直接可以驱动大多数的MOS管，不需要对信号进行放大和隔离，同时对于高压钠灯在高频出现的灯振现象，用555芯片来调制主频防止灯振，该IR2153芯片的半桥控制电路和串联谐振电路的设计都比较简单，其中可以根据要求制作需要的变压器，实现的不同要求。研究的展开思路和框架 2 IR2153的功能及相关介绍的功能及相关介绍3 半桥控制电路和谐振电路设计半桥控制电路和谐振电路设计4 实验结果及展望实验结果及展望1.1主电路拓扑结构图1.2主板电路的工作原理3.1 控制电路的组成3.2 谐振电路设计3.3 变压器的制作3.4 防灯振电路IR2153

3、是一个高压、高速、自激振荡功率MOS管和IGBT管的驱动器，是一个半桥控制驱动专用芯 片，可以提供两路 输出的半桥驱动。 1 半桥控制主电路拓扑结构及半桥控制主电路拓扑结构及主板工作原理主板工作原理 通过对IR2153半桥电 路电子镇流器较深入的分析、比较和研究，并进行了具体的电路实验。最后设计了一只250W高压钠灯高频电子镇流器。IR2153的功能及相关介绍 IR2153是一个高压、高速、自激振荡功率MOS管和IGBT管的驱动器，是一个半桥控制驱动专用芯片，可以提供两路输出的半桥驱动。内部采用浮动通道方式，可实现自举工作。 其脚有一个Shutdown功能，用一个低电压控制信号可以关闭两个驱动

4、脚的输出信号，两个输出具有典型值为1.2us的死区时间，防止半桥两个MOS管同时导通。该实验中驱动的是IRFP460管子，该管子是N-沟道增强型硅栅功率场效应晶体管。图图4 IR21534 IR2153经典电路应用经典电路应用 如如下面下面图图4 4所示，所示，典型的典型的IR2153IR2153驱动驱动MOSFETMOSFET的应用图。的应用图。IR2153IR2153的第的第2 2脚脚R RT T端接的电阻和第端接的电阻和第3 3脚脚C CT T端接的电容共同构成振荡器的外接元件；同时通过端接的电容共同构成振荡器的外接元件；同时通过图中的图中的shutdownshutdown来控制场效应管

5、来控制场效应管, ,可以让振荡器停止工作；第可以让振荡器停止工作；第6 6脚脚V VS S、第、第8 8脚脚V VB B端之间的电容端之间的电容C C和和V VB B、V VCCCC之间的二极管之间的二极管D D构成自举电源供电电路。由第构成自举电源供电电路。由第7 7脚高驱动端和第脚高驱动端和第5 5脚低驱动端分别产生有时间间隔的两个脚低驱动端分别产生有时间间隔的两个PWMPWM脉冲，提供给脉冲，提供给两个两个MOSMOS管。管。 如图5所示的半桥结构，它是两个功率开关器件（如MOS管）以图腾柱的形式相连接，以中间点作为输出，提供方波信号。 这种结构在电子镇流器等场合有着广泛的应用。上下两个

6、管子由反相的信号控制，当一个功率管开时，另一个关断，这样在输出点 OUT 就得到电压从0到HV的脉冲信号。由于开关延时的存在，当其中的一个管子栅极信号变为低时，它并不会立刻关断，因此一个管子必须在另一个管子关断后一定时间方可开启，以防止同时开启造成的电流穿通，这个时间称为死区时间，如图中 Td所示。 图5 半桥电路结构及高低侧驱动信号 半桥结构IR2153控制电路 图6中为半桥逆变主电路和控制电路。当整流后经变压器把电压降下来的15.6V电压对C5充电，同时也由UF4007对C4充电。当C5正极电位上升到15.6V时，IR2153输出带有约2us的死区时间的互补调制信号，频率由IR2153的R

7、T（VR1）、CT（C1）决定，并通过限流电阻R1、R2对Q1、Q2触发。使得输出恒定高频方波序列供后极由电容、电感及灯构成的谐振网络。当灯被顺利启动后，就在灯的两端流过高频正弦电流。其中自激振荡是由电源UF4007对C4充电和C4通过VB脚和R1放电完成。 图6 IR2153控制电路IR2153控制电路的注意事项： （1）驱动芯片IR2153自举电压用的隔离二极管，要用超快恢复，实验中选择了UF4007二极管； （2）R1、R2阻值不能太大，IRFP460栅电容那么大,只要测下栅极的波形就可以知道，上升和下降沿都不陡峭，必然开关损耗很大，甚至造成两管同时开通。所以建议在实验时应根据情况调到适

8、合的值。 （3）应该注意布线,MOS管与IC的引脚距离要短而粗,IC地端直接接靠近下MOS管的地方； （4）虽然IR2153驱动能力比较强，但是需要在一定范围的频率里，建议驱动IRFP460时工作频率不高于50K，应该30K最佳，实验中的频率选择的是40KHZ。 下图是IR2153产生的40KHZ的脉冲图图7 IR2153 产生产生PWM脉冲波形脉冲波形 谐振电路设计 高压钠灯电子镇流器中实际上是一个高频自激振荡变换器，高压钠灯灯管就是变换器中的负载，一般情况下负载电路里都要一个串联谐振电路，这对于高压钠灯的正常工作起到稳定电流的作用。经过计算和不断实验，逐步改变串联谐振电路中的各个参数，使其

9、尽量接近合适的Q值点。 串联谐振负载电路提供给高压钠灯灯管的电压是高频正弦波，这样会使得电极损耗尽量减少，电弧相对稳定，同时高频谐振供电提高了灯发光效率。 线圈L、HPS灯、C10组成谐振网络，所以谐振时的频率主要由C10和L的电感值决定即: 假设谐振频率是40KHZ 由上式变换得： )21 (21LCfrmHCfLr015. 0)31 ()1040(1014. 34141236222 所以所以高压钠灯因为它的负阻特性，在其逆变电路里加限流电感，这个电感高压钠灯因为它的负阻特性，在其逆变电路里加限流电感，这个电感值值 的大小，经过计算，串联谐振中的的大小，经过计算，串联谐振中的 时，要得到时，

10、要得到 的频率，的频率，那么电感值应该等于那么电感值应该等于 。FC1KHZ40mH015. 0变压器的制作 由实验的原理图可知，串联谐振中电感的线圈是启动电路中变压器的一端，所以在固定电容值后，具有电感L值和匝数比的变压器正是实验要制作的。在变压器的设计中，存在着诸多的问题，如计算公式多、参数复杂等。在此就高频高压钠灯半桥驱动变压器提供了一种新的设计方法。主要研究了高频高压钠灯半桥驱动变压器参数的计算公式，包括磁芯材料、线径、穿透深度、匝数比、初级线圈等公式，从而计算出电路中的各个参数，降低了计算的难度。 高频高压钠灯半桥驱动变压器设计： 输入AC 220V10%，效率：80%，工作频率f=

11、40kHz， 输出电压100V，电流I=2.27A，输出功率Po=250W， 最大占空比D=0.48，J=4A/mm2，Bm=0.3T 3.3.1计算最小直流电压Emin和最大直流电压Emax Emin=220*0.9*1.1=218V Emax=220*1.1*1.4=339V 3.3.2计算输入功率 根据输入功率、输出效率之间的关系，求输入功率： )61 (5 .3128 . 0250%800WPPi3.3.3计算Ap值选择磁芯 因为我们研究的半桥驱动变压器是在高频的情况下的，所以采用铁氧体材料，铁氧体材料具有较高的电阻率，涡流损耗比较低，是高频变压器磁芯的首选材料。8138. 014 .

12、 043 . 010402105 .312)71 (210A322piumicwKKJBfPAA3.3.43.3.4计算初级、次级匝数计算初级、次级匝数 首先，由于加在变压器初级两端的电压和高压钠灯启动所需的电压比值，初步首先，由于加在变压器初级两端的电压和高压钠灯启动所需的电压比值，初步确定变压器的匝数比为确定变压器的匝数比为2:552:55左右，左右， 即即552nA16A16氧化铁材料氧化铁材料E41/19/12E41/19/12磁芯，其中磁芯，其中TBmmAmmAcpe3 . 0),(100),(121228138. 020274. 121. 1994. 0ApewAA 结果大于上面公

13、式（结果大于上面公式（1-71-7）计算值，此）计算值，此材料符合实验的要求。所以材质选用材料符合实验的要求。所以材质选用A16A16氧化铁材料氧化铁材料E41/19/12E41/19/12磁芯。磁芯。,6 . 11003 . 048. 01001匝因为cpsADVN55221NNn且匝所以4426 . 15525512NN 这样变压器的设计完成了，初级匝数定为这样变压器的设计完成了，初级匝数定为2 2匝，次级匝数大概在匝，次级匝数大概在5555左右，线左右，线圈采用多股线或利兹线，电感值由串联谐振求得的值圈采用多股线或利兹线，电感值由串联谐振求得的值0.015mH0.015mH，根据这些参数

14、进行，根据这些参数进行变压器制作，在制作的过程中，由于电感值除了和线圈的匝数有关，还与铁芯中变压器制作，在制作的过程中，由于电感值除了和线圈的匝数有关，还与铁芯中的气隙以及线圈绕的疏密程度有关，所以在线圈的匝数固定了之后，可以通过改的气隙以及线圈绕的疏密程度有关，所以在线圈的匝数固定了之后，可以通过改变线圈绕的疏密程度和气隙的大小，来改变电感值的大小，待这些值都符合了之变线圈绕的疏密程度和气隙的大小，来改变电感值的大小，待这些值都符合了之后，变压器的制作便完成了。后，变压器的制作便完成了。 防灯振电路 在采用高频电源点燃HID灯时，只要镇流器的工作频率与声共振频率中的基波和高次谐波在内的频率中

15、其中一个相同，就有可能产生声共振。高强度气体放电中，金卤灯容易产生“声共振”，高压钠灯也会产生声共振，所以必须做防灯振电路。如图8所示，用555芯片产生低频信号，最后经过C7，信号送给IR2153的3脚，使其频率发生改变，以达到防止灯振。三极管Q3只需要普通的NPN即可，VR2对555芯片产生的低频信号的频率进行调节，R7可以对IR2153产生的频率变化进行调节。 图图8 防灯振电路防灯振电路研究结论 使用MC33262D芯片和IR2153设计的250W高压钠灯电子镇流器，满足了功率因数校正，能达到0.99以上，极大的减小无功电流，减小线路损耗，改善电网供电质量减小了谐波对电网的污染。在启动电路中，启动时只要正常提供给MOS脉冲，启动电路能够正常而且稳定的启动起来，如果实验中高压钠灯有闪一下，说明了IR2153没有正常工作，无法产生波形。由已知的谐振频率，确定其变压器所需要的各个参数，可以根据不同要求制作需要的变压器，实验中这个比较容易实现，这样使得串联谐振可以适用于不同功率的高压钠灯。图8防灯振电路，555芯片产生的低频信号促使IR2153频率的变化，如何频率变化太快，则可以通过调节图中的电阻R7值，让其频率比较缓慢的在40KHZ左右范围小幅度的变化。在实验中，出现由于产