太陽能低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器研發(fā)解決方案

0 引言

太陽能作為綠色能源將是國家大力推廣的節(jié)能項目，而低壓鈉燈是照明工程節(jié)能改造及太陽能照明系統(tǒng)的最佳光源，它以其高光效200lm/W及長壽命，視見分辨率高，對比度好，不受環(huán)境溫度影響的優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于道路、高架橋、隧道和交叉路口等能見度高和顯色性要求不高的地方。低壓鈉燈還具有不眩目，不會因環(huán)境氣體的蝕化作用而產(chǎn)生燈具光學系統(tǒng)過早損壞的現(xiàn)象。過去低壓鈉燈使用的是傳統(tǒng)自耦漏磁電感鎮(zhèn)流器，因自身體積大、重量高，自身損耗大（18%），在工頻供電的條件下，有明顯的頻閃效應(yīng)，從而影響了低壓鈉燈的光放提高，且其輸出功率隨供電電壓的波動變化較大，嚴重影響燈管的工作壽命，能耗特高等缺點，嚴重制約了低壓鈉燈的廣泛應(yīng)用。研制高效、環(huán)保、體積小、長壽命、性價比高的太陽能低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器已成為大勢所趨。與所有的鎮(zhèn)流器一樣，低壓鈉燈呈現(xiàn)負阻特性。

l 系統(tǒng)控制策略

太陽能低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器是由太陽電池陣列來供電，由于太陽電池陣列具有非線性的電源特性，為保證陣列在任何日照和環(huán)境溫度下都將提供相應(yīng)可能的最大功率輸出，因此，要求鎮(zhèn)流器白天能自動跟蹤最大功率點給蓄電池充電，晚上經(jīng)光控元件檢測太陽電池電壓和定時器件來決定是否自動點亮低壓鈉燈。

太陽能低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。主電路基本分為二部分，第一部分足DC/DC升壓電路，第二部分為逆變部分。從本質(zhì)上講，它是一個DC/DC/AC變換電路。

2 DC/DC升壓電路的設(shè)計與實現(xiàn)

如圖2所示，DC/DC驅(qū)動芯片采用美國硅通公司生產(chǎn)的電壓型PWM控制器SG3525A，SG3525A是一種性能優(yōu)良，功能齊全，通用性很強的單片集成PWM控制器，該芯片簡單可靠且使用方便靈活，通過外接適當電路，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)PWM控制，還可以完成輸入軟啟動、過載限流、欠壓保護、死區(qū)調(diào)節(jié)等多種功能。

其工作原理為將升壓變壓器的中心抽頭接于正電源，兩路相反的PWM驅(qū)動脈沖送至開關(guān)管S16、S17的基極，從而控制兩只功率管交替工作，得到的方波交流電壓經(jīng)變壓器輸出，經(jīng)電感L16和電容濾波得到360V直流。電流檢測電阻(R41//R42)得到的電壓接到SG3525A的腳10來實現(xiàn)過流保護。R37、R38和R45為電壓采樣，構(gòu)成電壓負反饋，因而提高了電路的可靠性。SG3525A及控制電路的電源都來自蓄電池，D16為防反接二極管。DC/DC從12V蓄電池電壓升到360V直流電，供后級鎮(zhèn)流電路點燈。

3 高頻鎮(zhèn)流器電路的設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)低壓鈉燈的特點，對電子鎮(zhèn)流器有以下要求。

1)給燈的兩電極間提供足夠高的啟動電壓，使燈正常點火(低壓鈉燈的啟動電壓低于1500V)。

2)在低壓鈉燈點火進入穩(wěn)態(tài)工作后，應(yīng)確保燈能穩(wěn)定工作，要為燈提供一個大小合適且穩(wěn)定的工作電流。

電子鎮(zhèn)流器的輸出功率、施加于燈兩端的電壓和燈的實際工作電流必須與配接的燈參數(shù)相匹配。

3)必須將電流諧波含量控制在標準規(guī)定限定值以內(nèi)，以防止對電網(wǎng)造成嚴重污染，并獲得高功率因數(shù)。

4)必須具備較高的安全性和可靠性。

高頻鎮(zhèn)流器電路采用了集成電路驅(qū)動芯片IR2153，它能提供兩路非常干凈的可驅(qū)動半橋逆變電路中上下兩個MOSFET功率開關(guān)管的信號。這種集成電路(即IC芯片)是自激的，含有類似555定時器的RC振蕩器，其振蕩頻率可由改變外接的RC組件的參數(shù)予以調(diào)整。此外，集成電路還有許多其它優(yōu)點，如：便于調(diào)光、引入無功耗預(yù)熱啟動、增加保護功能等。

如圖3所示，其工作原理為：經(jīng)前級升壓電路得到直流360V電壓，啟動時經(jīng)R20向電容C18充電，當充到IR2153的啟動電壓時，芯片正常工作，產(chǎn)生PWM波來驅(qū)動兩只MOSFET，使之輪流導通與截止，在其中心點VS(腳6)輸出幅度約為直流電壓的一半，即360V/2，其占空比約為50％的方波信號，經(jīng)電感L1及電容C22和C24給燈管提供啟輝信號。S6導通時，VCC通過自舉二極管D5對自舉電容C19充電，使VB(腳8)電壓比H0(腳7)電壓高出VCC，為lC內(nèi)部高端驅(qū)動級提供直流電源。接于腳6的R24、C23串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)起阻尼作用，可以減小方波輸出前沿的噪聲輻射，也有對S5、S6的續(xù)流作用。同時它將半橋中點電壓通過D15、D16整流，供給IR2153的VCC(腳I)直流電壓，不再由R20降壓供給，以減小功耗。

低壓鈉燈啟動電路采用了LC串聯(lián)諧振變換器，它是一種普遍應(yīng)用于電子鎮(zhèn)流器的電路拓撲，特別適合在熒光燈、低壓鈉燈等電子鎮(zhèn)流器中使用。它結(jié)構(gòu)簡單，便于設(shè)計，可靠性高，可以滿足燈啟動和穩(wěn)態(tài)工作的要求。LC諧振變換器由諧振電感L1、串聯(lián)諧振電容C22和并聯(lián)諧振電容C24組成，在低壓鈉燈啟動前，由于低壓鈉燈無燈絲，并且電弧管中填充的隋性氣體未氣化，所以燈處于相當高的阻抗狀態(tài)，可以認為燈處于開路狀態(tài)。在半橋LC諧振變換器中，串聯(lián)諧振電容C22，和并聯(lián)諧振電容C24共同串聯(lián)在一起和諧振電感L1在交流電源驅(qū)動下諧振，從而在C24兩端產(chǎn)生高電壓；在穩(wěn)態(tài)工作的半橋LC諧振變換器中，串聯(lián)諧振電容C22和諧振電感L1在交流電源驅(qū)動下為燈負載供電，提供穩(wěn)態(tài)工作所需的燈端電樂和燈電流，在并聯(lián)諧振電容C24中通過很小的旁路電流。

4 實驗結(jié)果

在低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器中采用了新型的異常保護電路和短路保護電路。如圖4所示，在不接低壓鈉燈的情況下，在100ms的時間內(nèi)電源先啟動后關(guān)斷，其中通道1為低壓鈉燈電壓波形，通道2為半橋式逆變器芯片供電電源。在低壓鈉燈正常工作時，如燈突然斷開或接觸不良，即燈開路的情況下的波形圖，如圖5所示。同樣半橋式逆變器芯片IR2153供電電源斷開，半橋逆變器停止工作。圖5中通道l為低壓鈉燈正常工作電壓波形，通道2也為半橋式逆變器芯片供電電源。這樣不僅保護了MOSFET功率管不因嚴重發(fā)熱而損壞，而且還能在燈開路的情況下使半橋逆變器停止工作，節(jié)約電能。

圖6為低壓鈉燈啟動波形圖，由圖6可以看出，其啟動電壓最高值為4lOV，滿足了55W低壓鈉燈最低啟動電壓的要求，其啟動周期為1s，可以滿足低壓鈉燈多次可靠觸發(fā)啟動。

圖7為低壓鈉燈正常工作電壓、電流波形圖，圖7通道l為其正常工作電壓波形圖，電壓有效值為105V，通道2為其正常工作電流波形圖，電流有效值為O.50A，最大值為0.7A，功率為53W。

實驗用了一節(jié)12V的蓄電池供電，經(jīng)DC/DC升壓電路將12V升到穩(wěn)定的360V，實驗用低壓鈉燈型號為PHLIPS公司的55W BY22d，數(shù)字存儲示波器型號為DS-5000系列。研制的具有商品化的太陽能低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器如圖8所示，由于低壓鈉燈應(yīng)用于街道照明引線不能太長，采用了前極升壓電路與后極高頻鎮(zhèn)流電路分開沒計的方案。

5 結(jié)語

55W的太陽能低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器經(jīng)老化及高低溫實驗表明電路工作穩(wěn)定，各種保護工作可靠，基本實現(xiàn)恒功率控制。低壓鈉燈可靠穩(wěn)定的工作，說明達到了相關(guān)技術(shù)要求，并且啟動電路能多次可靠啟動，結(jié)構(gòu)簡單。