高频电子镇流器的新型控制方法的研究

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高频电子镇流器的新型控制方法的研究 [复制链接]

1 引言
因为工频电感镇流器存在体积大，功率因数低，效率低，对电压跌落敏感以及需要单独的启动器等缺点，所以随着绿色照明工程的实施，电子镇流器在生活中的应用日益广泛，并且随着高性能专用集成控制芯片、新型功率器件的出现更加快了电子镇流器集成化、高功率密度和高可靠性的进程。由于在商业中的推广，希望其体积,重量能尽可能的缩小，控制灯的功率能够更加简单和高效率，同时达到节约能源的目的。
大多数传统的电子镇流器都是采用高频逆变电路，所以有两个功率级，即先将交流输入转化成400V稳定直流，再经过高频逆变输出，这样使得能量进行了两次变换。而如果我们只用AC/DC部分电路，则谐波较大,功率因数较低。所以对于解决这个问题我们经常通过使用PFC电路来解决，但它的缺点是效率降低和成本增加[1～3]。
本文中提出的高频电子镇流器的控制方法，应用AC/DC的变化，只使用二极管整流桥整流，节省了DC电容和PFC环节，其DC/AC使用半桥逆变电路。这个电子镇流器电路是体积最小，成本和重量最低的方案，所以要采用一种高效的控制方法，本文将对这种控制方法和开关策略进行描述。
2 新型的控制方法
2.1 传统电子镇流器结构
图１是传统的高强度气体放电灯的电子镇流器结构框图。采用了功率因数矫正级和高频逆变级的两级式结构。主要组成部分有：用于输入功率因数矫正的PFC电路；用于产生高频交流信号的半桥逆变电路；点火和谐振电路；用于控制和保护的反馈信号检测电路。
这种结构使母线电压不随电网电压的波动而改变，保持在一个恒定的值上。这样通过检测母线电流可以对应出电子镇流器的输入功率值，并通过调节频率来实现功率闭环。
2.2 新型电子镇流器的控制方法
图２为传统电子镇流器的最简结构，由于Cf的存在，交流输入电流Iac波形会出现严重畸变，不再是正弦波形，而呈现幅值很大的尖峰脉冲。这种电流波形的高次谐波含量会很高。导致线路功率因数低到0.5～0.6。去掉Ｃf则会减少由此产生的不利影响。最简化的电路结构如图3所示,其运行过程中分为三个状态。
开关管Q1的交替导通截止，使得模式一和模式二进行切换。相对于图2传统模式相比，由于整流桥后面没有直流电容，就缺少了一种回路谐振电流反馈到电容上的模式。所以，当谐振电流处于模式三所示状态时，必须保证开关管Q2是导通的。如果开关Q2在这段时间是截止的，那么电流由于没有通路会损坏开关Q2。这就需要在控制的时候通过检测谐振电流的极性而对开关管产生控制。具体信号产生方式如下：
①当谐振电流达到Limit1时,Q1在A点导通,当谐振电流继续增加时,Q2保持关闭状态。
②当谐振电流达到Limit2时Q1在B点关闭,当Q1关闭以后,这个谐振电流通过Q2并联的二极管流过,,这样能存在死区时间。
③当Q1关闭之后的死区时间过后,Q2开通到达D点后关闭。
④考虑到Q2的死区时间,Q1在零点后开通,正向电流通过Q2的体二极管,直到Q1开通。
图5是新型电子镇流器的控制框图。检测谐振电流，经过低通滤波器，与额定电流Iref比较，如果高于Iref则降低Limit值，提高驱动频率，从而降低灯的功率。调整半桥逆变级的工作频率改变负载回路的电流大小，最终使灯端电流稳定在设定的范围内。
图6为采样电路。Is经过电流互感器，转化为电压信号进入比较器输入端，产生的比较信号经过逻辑运算产生幅值为5V的互补方波。
图7是提高带载的驱动电路。采用IR公司生产的2101芯片驱动MOSFET半桥。
图8为功率闭环控制电路。采用这种方式进行恒功率调节。运放U3B将采样得到的较小的谐振电流信号叠加一个固定的电平后放大到合适的值，然后通过运放U3A构成的比例积分(PI)调节器进行调节以使其跟随给定值(即其同相输入端所接固定电平)，即比较器的Limit值。
依照对Limit的调节，我们能进行频率的调节和占空比的调节。像这样，同时调节频率和脉冲宽度，我们能比单独一种调节更方便的控制灯电流。
应用我们上面的分析和我们的控制方法，小的输入电压能提供较大的谐振负载输出功率。当输入功率达到需要调整的值时，对Limit进行改变就可以提供限制，这样灯的功率因数和电流都能得到控制，同时没有大的电流回馈到DC电容上，使得输入电流保持较好的正弦波形。
3 实例
对上述控制方法进行实验波形如下，图9所示，是对70W高压钠灯系统的灯电压和灯电流波形。图10为电流波形和驱动信号波形。
4 结论
所研究的电路和控制方法可以较好的实现对灯的控制功能，并降低了电子镇流器的成本，减小发热，提高了电子镇流器的效率，达到功率因数0.9以上，电流波峰比小于1.8，满足谐波标准和对照明质量日益提高的要求。