直流供電低壓鈉燈數字化電子鎮流器設計

1 引 言

綠色照明工程要求采用效率高,壽命長,安全和性能穩定的照明電器產品。直流供電照明廣泛用于車船照明、風力發電照明、太陽能照明、流動攤販照明、停電應急照明、安全照明等方面。低壓鈉燈光效可達210lm/W,是目前光效最高的氣體放電燈,具有很強的單色性。功率小于35W的低壓鈉燈主要用在光譜儀器中作為單色光源。35W以上低壓鈉燈主要用于照明或信號燈。在此針對110V直流電壓采用升壓變換器和半橋LCC逆變器設計了55W低壓鈉燈電子鎮流器(Electronic Ballast,簡稱EB),并應用單片機實現了保護和恒定輸出功率等功能。

2 電路結構及工作分析

圖1示出110V直流供電的EB結構框圖。在主電路中,直流電壓經過Boost電路升壓到350V,再經過半橋逆變,最后在LCC結構的負載匹配網絡兩端產生高頻方波,從而驅動燈?？刂齐娐分邪刂齐娫措娐?、Boost控制電路、半橋控制電路、檢測電路和驅動電路。

圖2示出主電路拓撲結構圖。其中Boost變換器工作在電感電流連續工作狀態。在該狀態下,輸入電流紋波隨電感L1的增大而減小。

圖3示出Boost變換器工作過程的等效電路與各點波形。

當開關管VQ1導通時,電感電流iL流過電感線圈L1,在L1未飽和之前,電流線性增加,電能以磁能的形式儲存在電感線圈中。此時,電容C1放電,RLoad上流過電流Io,RLoad兩端為輸出電壓Uo,極性上正下負。由于開關管導通,二極管陽極接電源US的負極,二極管承受反向電壓,所以電容不能通過開關管放電,其工作狀態見圖3a。

當VQ1關斷時,L1兩端的電壓極性改變,以保持iL不變。這樣電感中變成一個輸出電壓為UL的電壓源與US串聯向負載供電,其工作狀態見圖3b。圖3c為iL連續時各點的電壓電流波形。在iL連續的工作狀態,開關周期Ts最后時刻的電流值Ia,就是下一個Ts周期中iL的開始值。但是,如果電感量太小,電流線性下降快,即在電感中能量釋放完時,尚未達到晶體管重新導通的時刻,這樣就出現了電感電流的斷續工作狀態。圖4示出半橋LCC工作狀態及關鍵點波形。

當電路呈現感性時,電流滯后于電壓。設在工作過程I時,VQ3截止,VQ2導通,電源向負載供電,負載電壓電流正向增加。由于電流滯后電壓,當VQ2關斷后進入工作過程Ⅱ,電流仍將保持正向流動,正向電流在VQ3的反向并聯二極管中續流,直到電流減小到零,在反向續流過程中,VQ3已經導通,因為二極管的電壓箝位作用,VQ3是零電壓開通。在VQ2截止,VQ3導通的工作過程Ⅲ中,電流反向增大,直到當VQ3關斷后進入工作過程Ⅳ,VQ2的反向并聯二極管續流。直到電流減小到零。同樣在反向續流過程中,VQ2已經導通,因為二極管的電壓箝位作用,VQ2也是零電壓開通。

在氣體放電燈的啟動階段,半橋LCC諧振變換器必須能夠在燈的電極間提供足夠高的啟動電壓,擊穿弧隙,電離弧管內的氣體產生輝光放電。在過渡階段,半橋LCC諧振變換器需要提供足夠的電流使輝光放電過渡到弧光放電并達到穩定。在燈的穩定狀態,半橋LCC諧振變換器需提供額定的功率,使燈正常工作。

圖5示出LCC諧振變換器的交流等效電路。交流驅動源可寫成：

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