基于LCC串并聯(lián)諧振技術實現(xiàn)HPS電子鎮(zhèn)流器滑頻軟啟動的應用設計

引言

高壓鈉燈（HPS）是一種高強度氣體放電燈（HID），因其光效率高、顯色性好而倍受人們的青睞。其電子鎮(zhèn)流器作為“綠色照明工程”的重要組成部分，日益成為人們研究的熱點。但啟動問題卻是整個電路設計的難點。原因在于：

1、需要一個幅值在3kV～5kV，脈寬在2μs左右且具有足夠能量的電壓來觸發(fā)。幅值和脈寬過小，燈都無法完成湯姆遜放電→過渡放電→輝光放電→弧光放電過程。幅值過大，將對燈及電路產(chǎn)生巨大的沖擊，影響使用壽命；

2、必須保證諧振電路呈感性，以利于續(xù)流二極管和并聯(lián)電容實現(xiàn)功率管的軟開關，減小損耗；

3、盡量減小電流，防止因電感飽和而使諧振電壓和電流激增，沖擊開關管，影響整個電路的正常工作；

4、能有效避開老化對啟動的影響，使電路具有一定的自適應能力。

基于上述理由，根據(jù)LCC串并聯(lián)諧振理論，本文提出了LCC諧振網(wǎng)絡滑頻軟啟動的解決方案，對此方案進行了理論分析和研究，并給出了工程設計方法。

LCC串并聯(lián)諧振理論分析

采用LCC諧振電路的逆變器及其工作原理

在中小功率的高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器中，考慮到成本等因素，常常使用如圖1所示的半橋逆變電路。

該逆變電路利用高壓鈉燈在諧振前后阻抗的變化特性來實現(xiàn)。首先，功率開關管Q1和Q2在PWM芯片的驅(qū)動下，以頻率f交替開通和關斷，LCC諧振電路就得到了幅值為Uab的高頻方波。隔直電容Cs再將輸入電壓中的直流分量濾除。然后，LC在驅(qū)動頻率f附近發(fā)生串聯(lián)諧振，產(chǎn)生瞬時高壓將HPS燈擊穿點亮；由于HPS具有負阻特性，鈉燈支路從諧振前的開路變?yōu)槎搪贰Ｓ谑?，電容Cr被放電電弧短接，LC自然失諧，震蕩停止。電路由于電感的限流作用而進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。

理論分析

圖2給出了LCC諧振半橋逆變器的簡化等效電路。其中，Lr和Cr為諧振電感和電容，Cs為隔直電容，Rlamp為HPS的等效電阻，Uab為諧振腔輸入的高頻方波電壓。電路具體分析如下：

諧振電壓分析

高頻方波Uab由傅立葉級數(shù)展開可得：

從方波的傅立葉級數(shù)分解可以看出，高次諧波的幅值遠遠低于基波電壓的幅值。加之電容Cr對高次諧波的抑制作用，所以

僅考慮基波時：

考慮基波和3次諧波時：

由Lr Cr串聯(lián)諧振可得自然諧振角頻率

LC諧振時，感性或容性無功電壓與總電壓之比稱為電路的品質(zhì)因數(shù)。如下所示：

假設HPS燈兩端電壓為輸出，則可得到電路的傳遞函數(shù)：

幅頻特性為：

相頻特性為：

當截止頻率介于基波和3次諧波之間時，將（2）式代入

燈端電壓：

當截止頻率介于3次和5次諧波之間時，將（3）式代入

燈端電壓：

通過仿真可知，高次諧波產(chǎn)生的諧振電壓與基波相近，電流比基波產(chǎn)生的電流小。因此，基波與高次諧波迭加的方法常常被用于大功率數(shù)字控制高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器中。而在中小功率的鈉燈鎮(zhèn)流器中，由于所需啟動電壓相對較低，往往直接用基波就可以滿足要求。同時，由于沒有高次諧波，所以燈端電壓波形更接近于正弦波。

諧振電流分析

在LCC網(wǎng)絡諧振時，由于開關管Q1和Q2的寄生電容較小，且諧振電流較大，因此，可以認為開關管Q1和Q2的回路電流和電感Lr上的諧振電流基本保持一致。所以，減小開關管上的回路電流也就是減小電感Lr上的諧振電流。而對于電感Lr上的電流：

可解得模；相角

將（7）式代入后可得：

如式（12）所示，在鈉燈功率一定的情況下，可以通過調(diào)整頻率f來減小諧振電流Ir，如果頻率已經(jīng)選定，則可以通過選取Cr將高次諧波引入諧振網(wǎng)絡，減少開關管Q1和Q2的電流，使開關管長期工作在安全裕量之內(nèi)，提高鎮(zhèn)流器的使用壽命。

軟開關的實現(xiàn)

LCC諧振網(wǎng)絡具有明顯的低通濾波器的特性，Q越大，諧振電壓Ur越大。根據(jù)（11）式研究0、ω／ω0、Q之間的關系，可得：當Q《1時，諧振電路在整個工作頻率內(nèi)都呈感性；當Q》1，ω《ω0時，諧振電路呈容性；當ω》ω0時，諧振電路呈感性。當電路呈現(xiàn)容性時，電流超前于電壓，功率管存在開通損耗。當電路呈感性時，電流滯后于方波電壓，由于續(xù)流二極管和并聯(lián)電容Cm的作用，功率管實現(xiàn)了零電壓開通（ZVS）和零電流關斷（ZVS），減小了損耗。

定頻帶滑頻軟啟動

實際工程中，電感、電容、燈等元器件參數(shù)的不一致性，使得設計的驅(qū)動頻率與諧振頻率恰好保持一致是相當困難的。如果驅(qū)動頻率偏離自然諧振頻率較遠時，根據(jù)LC串聯(lián)諧振理論：一定的諧振頻率對應一定的諧振電壓，則可能出現(xiàn)諧振電壓不足，難以驅(qū)動燈的情況。為此，提出了定頻帶滑頻軟啟動的方法，以解決燈的有效觸發(fā)問題。

定頻帶滑頻軟啟動是指在LCC諧振網(wǎng)絡的自然諧振頻率ω0附近選取一個頻帶（ω1→ω2對應f1→f2），讓工作頻率從一點滑到另一點。根據(jù)LCC電壓增益特性，HPS燈兩端的諧振電壓將逐漸升高，直至到達某一點，負載端電壓恰好可以將燈內(nèi)部的等離子體擊穿，完成放電過程。

電壓增益的最大值一般發(fā)生在固有頻率ω0附近偏左側(cè)。為了減小LCC網(wǎng)絡在ω0處發(fā)生諧振產(chǎn)生的高壓對元件的沖擊，同時，也為了適應燈、電容，以及電感等元件的老化、離散等造成的啟動故障，最好將滑頻帶f1→f2選取在固有頻率f0的右側(cè)。這樣有助于實現(xiàn)軟開關。

電路實現(xiàn)及實驗波形

電路實現(xiàn)

基于以上的理論分析，設計了如圖3所示的滑頻軟啟動電路。其工作原理如下：

在QD端為低電平時，三極管Q1處于截止狀態(tài)，PWM控制芯片的輸出驅(qū)動頻率由R1、R2、R3和C1決定。隨著QD端電壓升高，電解電容C2被緩慢充電，Q1的基級電壓也逐漸增大，Q1由截止區(qū)，經(jīng)放大區(qū)變到飽和區(qū)。當Q1到達飽和區(qū)時，電阻R3等效于被三極管Q1短接。此時，得到滑頻啟動的截止頻率為即是滑頻軟啟動所設定的頻帶。

電子鎮(zhèn)流器從fmin啟動，經(jīng)電容充電過程，驅(qū)動頻率滑到fs（設fs為起振頻率），fs經(jīng)OutA和OutB口輸出PWM波，驅(qū)動如圖1所示的開關管Q1和Q2，產(chǎn)生高頻方波。諧振網(wǎng)絡的Lr和Cr在驅(qū)動頻率滑到f處發(fā)生串聯(lián)諧振，在HPS兩端產(chǎn)生一個瞬時高壓將燈點亮。同時，電容Cr也被負載短路，LC自然失諧。整個高壓鈉燈的LCC諧振滑頻軟啟動過程完成。

實驗波形

根據(jù)這個思路設計了70W太陽能高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器，并進行了反復實驗。實驗結果表明，該啟動方法穩(wěn)定可靠。圖4為該鎮(zhèn)流器LCC諧振滑頻軟啟動電路的實測波形。從圖中可以看到明顯的滑頻軟啟動過程。

結語

本文針對LCC諧振網(wǎng)絡進行了深入地分析和闡釋，給出了高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器滑頻軟啟動的設計方案，并在太陽能高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器上進行了實驗。結果表明，該啟動電路穩(wěn)定可靠，可以很好地解決各種中小功率高強度氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器的啟動問題。

責任編輯：gt