高压钠灯电子镇流器的研制

高压钠灯（HPSL）是高强度放电灯（HIDL——High Intensity Discharge Lamp）中的一种，因其具有极好的光效（80～140lm/W）和合适的光波长，而被广泛用于户外照明，如广场、道路、码头等。但是，传统的电感式的镇流器存在功率因数低和自身损耗大的缺点。大量低功率因数电器的使用，对电网造成谐波污染，不但增加了供发电设备的负荷，使供发电设施得不到充分利用，而且严重影响其它用电设备的正常运行。
绿色照明事业在世界范围的蓬勃发展，推进了电子镇流器的广泛使用。电子镇流器不但可以做到很高的功率因数（接近1），而具有显著的节能效果，而且还能在很宽的电压范围内点灯工作，很好地解决了电感式镇流器的缺点。因为，HPSL的功率相对于荧光灯大得多，用量也极大，所以，HPSL电子镇流器的开发应用，具有更加深远的意义。
1 对高压钠灯电子镇流器的要求
HPSL电子镇流器因使用场所和其本身的特性，要求较为严格。它的基本要求是：
1）较高的功率因数（≥0.99）；
2）适应温度范围－20～50℃，且防雨雪；
3）输出到灯的功率必须恒定；
4）为防电极极化，灯的电流必须是交流，而且须防声共振；
5）必须有2.5～4kV的点灯触发电压，灯点亮后高压须消除，不影响灯的正常工作；
6）较高的功率（一般人行道为75W，道路为250W，广场为400W，最高达1000W）；
7）对各种故障（灯短路、灯开路或无灯、弧光不正常、灯过压、灯过流以及电路本身的故障）的识别及保护功能完善。
2 方案的选择
能够实现上述基本功能的方法有好多种，虽然许多厂商竞相研制生产，但能做到实用较为困难，因为，简单的电路难以满足要求，复杂的电路成本昂贵。通过对HPSL电子镇流器的大量研究，本文介绍采用美国UNITROD公司专门为HIDL控制器设计的专用芯片——UCC2305制作的250W镇流器，其基本的框图如图1所示。

图1 HPS电子镇流器框图
它主要由功率因数校正（PFC）电路、UCC2305控制电路、触发电路和辅助电源4部分组成，电路较为简单。
2．1 功率因数校正
实现功率因数校正的方法很多[4][5]，本案选择UC3854B作为控制芯片，建立了固定频率平均电流型有源功率因数校正电路，如图2所示。在图2中，整流桥B1、储能电感L1、功率开关器件S1、升压二极管D1、输出滤波电容C1和电流取样电阻R1组成了PFC主电路。

图2 功率因数校正示意图
跟UC3854一样，UC3854B提供了有源功率因数校正的全部功能，这些功能包括电压放大器、模拟乘法/除法器、电流放大器和固定频率PWM，另外，还含有功率MOSFET栅极驱动器、7.5V基准电压、总线预测器、加载赋能比较器、低电压检测器和过流比较器等。平均电流模式的控制使正弦化线电流稳定、低失真而不象峰值电流控制需要斜率补偿。
交流176～264V输入电压经B1整流成为100Hz的正弦半波电压，为了迫使线电流跟随电压变化，UC3854B的脚6经R5引入这个正弦半波线电压取样，内部乘法器将此信号（设为B）与输出电压放大器的输出（设为A）相乘，产生电流控制环的基准信号。同时正弦半波电压又经由R2，R3，C3，R4和C4组成的分压电路产生与线电压的均方根值成正比的电压值，这个电压送到UC3854B的脚8，在其乘法器中平方（此值设为C）。乘法器将实际线电流与电压放大器输出的乘积除以线电压的均方根值的平方，即乘法器的输出IM=AB/C。脚8的输入可对线电压的变化作出补偿，使PFC能够在85～255V的输入电压范围内工作。R1是线电流取样电阻，它的负端与乘法器的输出一起接到电流放大器的正向端，正端接到电流放大器的反向端。该电流放大器有较高的低频增益，但控制环路的带宽很大，使线电流跟随线电压变化成为可能。
UC3854B相比于UC3854，提供了一个宽的带宽、低偏置的电流放大器、具有快速响应的“能使”比较器、判断基准好坏的比较器以及一个改进的乘法器/除法器，低电压保护改为10V，启动电压为10.5V，而不再是UC3854的16V，启动电流更低。
由于这方面的资料和文献极多，本文不再作更详细的叙述和计算表达。电路中主要元器件B1为4A/600V整流桥，L1=1.2mH，S1为IRFP840，D1为MUR086。
2．2 UCC2305控制器
UCC2305集成了控制和驱动HIDL所有的功能需要，它适用于金属卤素灯（如汽车大灯、放映机灯等）、高压汞灯和高压钠灯等高强度放电灯控制器的驱动和控制。它包含一个完全的电流模式脉宽调制器、一个灯功率调节器、灯温补偿器和所有故障保护。
UCC2305的内部结构和功能如图3所示。其单端驱动脚19（PWMOUT）可驱动正激式、反激式、升压式、降压式等不同类型的电路。主输出脚9（QOUT）和脚15（QOUT）采用大电流推拉电路，可以驱动半桥和全桥电路。桥路输出采用低频交流，UCC2305内置分频器将单端驱动的频率（一般取100kHz）除以512，得到195Hz的低频，因此消除了声共振。声共振是HIDL在高频电源供电时出现的放电电弧不稳的现象，其机理是灯管内压力波的脉动从管内壁反射回来，如果与高频电流的脉动成分相位相同，则形成驻波，产生声共振，轻则灯光抖动，重则烧毁灯管和镇流器。

图3 UCC2305的内部功能图
图4给出了采用UCC2305作为控制芯片的250WHPSL电子镇流器的原理图。由于HIDL的阻抗非线性（其阻抗特性见图5），在灯未点亮之前处于高阻，一旦外加高压触发点亮以后灯就导通，其两端电压迅速降低，灯电流增大，呈现负阻特性。如果还以平常的电压加于灯上，灯将烧毁。而HIDL在刚启动的冷态和长时间工作的热态的阻抗又有很大差别，因此，HIDL控制器必须是一个电流模式控制下的恒功率输出。在本方案中，单端采用了降压式Buck电路，将PFC输出的400V电压，在恒电流下降至HPSL所需的工作电压。由于是高端驱动，所以需将PWM信号电平移位，采用IR2117或者TLP250等IC均能实现。电流取样采用电流互感器T1，因为开关频率较高，因此只需很小的磁芯，初次级匝比为1：100。电流信号经D10整流后送到UCC2305的脚23（ISENSE端）。在UCC2305中HIDL功率的调节是计算灯电流和电压，指令适当的输入电流保持灯功率的恒定。而灯的电压由分压比为120：1的分压电阻R36与R37得到，送到芯片的脚11（VOUT－SENSE）；灯的电流由取样电阻R18得到，这个信号送到芯片的脚5（LOADISENSE）。UCC2305的电流模式PWM类似于工业标准的UC3842和UCC3802电路，使用高增益开环放大器，LOADISENSE信号直接送入该放大器，放大器放大了预期灯电流和实际灯电流之差，并在反馈误差放大器脚LPOWER产生一个粗略地比例于灯功率的输出信号。开环放大器驱动一个高速PWM比较器，这个比较器将控制器的输入电流，即脚23的ISENSE信号跟开环放大器的输出电流比较，用这个信号设置占空比。因此，控制器的输出调节在恒定的功率，以使灯光的强度相对恒定。