太阳能低压钠灯电子镇流器研发解决方案

0 引言

    太阳能作为绿色能源将是国家大力推广的节能项目，而低压钠灯是照明工程节能改造及太阳能照明系统的最佳光源，它以其高光效200lm/W及长寿命，视见分辨率高，对比度好，不受环境温度影响的优点而被广泛应用于道路、高架桥、隧道和交叉路口等能见度高和显色性要求不高的地方。低压钠灯还具有不眩目，不会因环境气体的蚀化作用而产生灯具光学系统过早损坏的现象。过去低压钠灯使用的是传统自耦漏磁电感镇流器，因自身体积大、重量高，自身损耗大（18%），在工频供电的条件下，有明显的频闪效应，从而影响了低压钠灯的光放提高，且其输出功率随供电电压的波动变化较大，严重影响灯管的工作寿命，能耗特高等缺点，严重制约了低压钠灯的广泛应用。研制高效、环保、体积小、长寿命、性价比高的太阳能低压钠灯电子镇流器已成为大势所趋。与所有的镇流器一样，低压钠灯呈现负阻特性。

    l 系统控制策略

    太阳能低压钠灯电子镇流器是由太阳电池阵列来供电，由于太阳电池阵列具有非线性的电源特性，为保证阵列在任何日照和环境温度下都将提供相应可能的最大功率输出，因此，要求镇流器白天能自动跟踪最大功率点给蓄电池充电，晚上经光控元件检测太阳电池电压和定时器件来决定是否自动点亮低压钠灯。

    太阳能低压钠灯电子镇流器基本结构如图1所示。主电路基本分为二部分，第一部分足DC/DC升压电路，第二部分为逆变部分。从本质上讲，它是一个DC/DC/AC变换电路。

    2 DC/DC升压电路的设计与实现

    如图2所示，DC/DC驱动芯片采用美国硅通公司生产的电压型PWM控制器SG3525A，SG3525A是一种性能优良，功能齐全，通用性很强的单片集成PWM控制器，该芯片简单可靠且使用方便灵活，通过外接适当电路，不仅能够实现PWM控制，还可以完成输入软启动、过载限流、欠压保护、死区调节等多种功能。

    其工作原理为将升压变压器的中心抽头接于正电源，两路相反的PWM驱动脉冲送至开关管S16、S17的基极，从而控制两只功率管交替工作，得到的方波交流电压经变压器输出，经电感L16和电容滤波得到360V直流。电流检测电阻(R41//R42)得到的电压接到SG3525A的脚10来实现过流保护。R37、R38和R45为电压采样，构成电压负反馈，因而提高了电路的可靠性。SG3525A及控制电路的电源都来自蓄电池，D16为防反接二极管。DC/DC从12V蓄电池电压升到360V直流电，供后级镇流电路点灯。

    3 高频镇流器电路的设计与实现

    根据低压钠灯的特点，对电子镇流器有以下要求。

    1)给灯的两电极间提供足够高的启动电压，使灯正常点火(低压钠灯的启动电压低于1500V)。

    2)在低压钠灯点火进入稳态工作后，应确保灯能稳定工作，要为灯提供一个大小合适且稳定的工作电流。

    电子镇流器的输出功率、施加于灯两端的电压和灯的实际工作电流必须与配接的灯参数相匹配。

    3)必须将电流谐波含量控制在标准规定限定值以内，以防止对电网造成严重污染，并获得高功率因数。

    4)必须具备较高的安全性和可靠性。

    高频镇流器电路采用了集成电路驱动芯片IR2153，它能提供两路非常干净的可驱动半桥逆变电路中上下两个MOSFET功率开关管的信号。这种集成电路(即IC芯片)是自激的，含有类似555定时器的RC振荡器，其振荡频率可由改变外接的RC组件的参数予以调整。此外，集成电路还有许多其它优点，如：便于调光、引入无功耗预热启动、增加保护功能等。

    如图3所示，其工作原理为：经前级升压电路得到直流360V电压，启动时经R20向电容C18充电，当充到IR2153的启动电压时，芯片正常工作，产生PWM波来驱动两只MOSFET，使之轮流导通与截止，在其中心点VS(脚6)输出幅度约为直流电压的一半，即360V/2，其占空比约为50％的方波信号，经电感L1及电容C22和C24给灯管提供启辉信号。S6导通时，VCC通过自举二极管D5对自举电容C19充电，使VB(脚8)电压比H0(脚7)电压高出VCC，为lC内部高端驱动级提供直流电源。接于脚6的R24、C23串联网络起阻尼作用，可以减小方波输出前沿的噪声辐射，也有对S5、S6的续流作用。同时它将半桥中点电压通过D15、D16整流，供给IR2153的VCC(脚I)直流电压，不再由R20降压供给，以减小功耗。

    低压钠灯启动电路采用了LC串联谐振变换器，它是一种普遍应用于电子镇流器的电路拓扑，特别适合在荧光灯、低压钠灯等电子镇流器中使用。它结构简单，便于设计，可靠性高，可以满足灯启动和稳态工作的要求。LC谐振变换器由谐振电感L1、串联谐振电容C22和并联谐振电容C24组成，在低压钠灯启动前，由于低压钠灯无灯丝，并且电弧管中填充的隋性气体未气化，所以灯处于相当高的阻抗状态，可以认为灯处于开路状态。在半桥LC谐振变换器中，串联谐振电容C22，和并联谐振电容C24共同串联在一起和谐振电感L1在交流电源驱动下谐振，从而在C24两端产生高电压；在稳态工作的半桥LC谐振变换器中，串联谐振电容C22和谐振电感L1在交流电源驱动下为灯负载供电，提供稳态工作所需的灯端电乐和灯电流，在并联谐振电容C24中通过很小的旁路电流。

    4 实验结果

    在低压钠灯电子镇流器中采用了新型的异常保护电路和短路保护电路。如图4所示，在不接低压钠灯的情况下，在100ms的时间内电源先启动后关断，其中通道1为低压钠灯电压波形，通道2为半桥式逆变器芯片供电电源。在低压钠灯正常工作时，如灯突然断开或接触不良，即灯开路的情况下的波形图，如图5所示。同样半桥式逆变器芯片IR2153供电电源断开，半桥逆变器停止工作。图5中通道l为低压钠灯正常工作电压波形，通道2也为半桥式逆变器芯片供电电源。这样不仅保护了MOSFET功率管不因严重发热而损坏，而且还能在灯开路的情况下使半桥逆变器停止工作，节约电能。

    图6为低压钠灯启动波形图，由图6可以看出，其启动电压最高值为4lOV，满足了55W低压钠灯最低启动电压的要求，其启动周期为1s，可以满足低压钠灯多次可靠触发启动。

    图7为低压钠灯正常工作电压、电流波形图，图7通道l为其正常工作电压波形图，电压有效值为105V，通道2为其正常工作电流波形图，电流有效值为O.50A，最大值为0.7A，功率为53W。

    实验用了一节12V的蓄电池供电，经DC/DC升压电路将12V升到稳定的360V，实验用低压钠灯型号为PHLIPS公司的55W BY22d，数字存储示波器型号为DS-5000系列。研制的具有商品化的太阳能低压钠灯电子镇流器如图8所示，由于低压钠灯应用于街道照明引线不能太长，采用了前极升压电路与后极高频镇流电路分开没计的方案。

    5 结语

    55W的太阳能低压钠灯电子镇流器经老化及高低温实验表明电路工作稳定，各种保护工作可靠，基本实现恒功率控制。低压钠灯可靠稳定的工作，说明达到了相关技术要求，并且启动电路能多次可靠启动，结构简单。