CN104053292A - 一种应用于光伏路灯照明系统中的高压钠灯电子镇流器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于光伏路灯照明系统中的高压钠灯电子镇流器，以实现应用在光伏路灯照明系统、适用于蓄电池供电，并且高效、低损耗、小体积。本发明采用采用高频磁芯绕制镇流电感，本发明的高压钠灯电子镇流器包括：高频镇流电感、高压钠灯启辉电路、高压钠灯的电流检测信号的形成电路。当有高频交流方波输入高频镇流电感时，启辉电路在直流方波作用下通过控制高频镇流电感的感应圈使高压钠灯启辉；高压钠灯电流检测信号形成电路通过串接在高压钠灯上的电流感应器产生电流检测信号来控制启辉电路使其停止工作。启辉电路内设有防止所述直流方波瞬间过压、击穿保护电路。本发明一方面缩小了镇流电感体积、减小其功耗，一方面也消除了噪音污染。

Description

一种应用于光伏路灯照明系统中的高压钠灯电子镇流器

技术领域

本发明涉及一种高压钠灯电子镇流器，属于光伏发电技术领域，尤其是应用在采用高压钠灯作为光源的光伏路灯照明系统中。 

背景技术

独立的光伏照明系统已经在偏远无电地区等场合得到逐渐应用。但现有的独立光伏照明系统普遍照明功率不高，不适用于功能性照明，例如交通照明等。高压钠灯属于高压气体放电灯，是一种高效电光源。将高压钠灯应用于独立的光伏照明系统，可以显著提高其照明效率，从而能组成光伏路灯照明系统。光伏照明系统一般采用蓄电池储存电能，在夜间提供照明所需电力。在这种特定的工作条件下，如果采取先逆变升压到220V、50Hz工频交流电，再配合工频镇流器的高压钠灯供电方案，虽然各部分技术成熟，实施简单，但多次变换导致效率损失很大，对提高光伏照明系统的整体效率，降低其综合成本是十分不利的。 

高压钠灯是高强度气体放电灯。灯泡启动后，电弧管两端电极之间产生电弧，由于电弧的高温作用使管内的钠汞齐受热蒸发成为汞蒸气和钠蒸气，阴极发射的电子在向阳极运动过程中，撞击放电物质的原子，使其获得能量产生电离激发，然后由激发态回复到稳定态；或由电离态变为激发态，再回到电离态，多余的能量以光辐射的形式释放，便产生了光。 

同其他气体放电灯泡一样，高压钠灯工作在弧光放电状态，伏安特性曲线为负斜率，即灯泡电流上升，灯泡电压下降。在恒定电源条件下，为了保证灯泡稳定地工作，电路中必须串联一具有正阻特性的电路元件来平衡这种负阻特性，稳定工作电流，该元件称为镇流器或限流器。电阻器、电容器、电感器等均具有限流作用。目前与高压钠灯配套使用的镇流器普遍为电感性镇流器，其 缺点是较笨重、价格偏高和功率损耗比较大。 

另外，高压钠灯启动时需要在电弧管两端提供电压达到3000V，脉宽达到1us的高压脉冲，将放电气体击穿导电。因此配合高压钠灯工作需要一个启辉电路，在灯启动前发出固定间隔的高压脉冲；灯启动点燃后，应能立即停止脉冲，以免影响高压钠灯寿命。 

根据高压钠灯的负载特性，在工频50Hz、220V交流电压下，高压钠灯的工作原理图如图1所示。 

图1所示的工频高压钠灯供电电路中主要存在以下问题： 

(1)镇流电感笨重，铁损铜损较大，降低效率并导致发热； 

(2)存在噪音污染； 

(3)启辉高压频繁冲击镇流电感，影响其绝缘、寿命。 

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种应用在光伏路灯照明系统、适用于蓄电池供电，高效、低损耗、小体积的高压钠灯电子镇流器。 

为了实现上述目的，本发明提供了一种应用于光伏路灯照明系统中的高压钠灯电子镇流器，包括：高频镇流电感、高压钠灯启辉电路、高压钠灯的电流检测信号的形成电路，本发明电子镇流器的工作原理是：与高压钠灯配合工作，高压钠灯启辉前，启辉电路不断发出高压脉冲，直到将灯管内气体击穿；高压钠灯的电流检测信号的形成电路检测到其工作电流后，启辉电路立即停止工作，将电源工作频率提高到超出音频范围，可以是25kHz以上，一方面缩小了镇流电感体积、减小其功耗，一方面也消除了噪音污染。 

本发明采用的具体技术方案如下： 

高频镇流电感(T₁)，区别于一般的工频电感，采用高频磁芯绕制镇流电感；原边线圈(T₁₁)的一端连接高频交流方波的输入端(a)，该高频交流方波来自 于本发明电子镇流器的前级——50kHz逆变器的输出端；该原边线圈(T₁₁)的另一端连接高压钠灯(H)。 

高压钠灯启辉电路，包括： 

开关三极管(N)，该管的集电极与直流方波的输入端(c)相连接，该管的发射极与直流方波的另一个输入端(d)相连接； 

高频镇流电感(T₁)的感应线圈(T₁₂)，该感应线圈的两端分别与直流方波的两个输入端相连接； 

击穿保护支路，含有可控硅(S)和击穿二极管(D₂)。 

高压钠灯的电流检测信号的形成电路，包括： 

电流感应器(T₂)，原边线圈(T₂₁)的两端分别连接高频交流方波的输入端(b)、高压钠灯(H)的另一端(即没有连接高频镇流电感的原边线圈的一端)； 

限流电阻(R₃)，并接于电流感应器(T₂)的感应线圈(T₂₂)的两端； 

由整流二极管(D₁)及电容(C₂)形成的串接支路，该串接支路并接于电阻(R₃)的两端，整流二极管(D₁)的负极与高压钠灯启辉电路中三极管(N)的基极相连接，输入电流检测信号；电容(C₂)的另一端连接直流方波的输入端(d)。 

进一步，本发明电子镇流器还包括一个阻容串接支路，该阻容串接支路由电阻(R₂)和电容(C₁)串接而成，阻容串接支路的一端与直流方波的输入端(c)相连接，阻容串接支路的另一端与高频镇流电感的感应线圈相连接，即该感应线圈的一端依次经过相互串接的电容(C₁)、电阻(R₂)后与直流方波的输入端相连接。 

进一步，击穿保护支路的可控硅(S)的正极与阻容串接支路的中点相连接，该可控硅(S)的负极与直流方波的输入端(d)相连接；该可控硅(S)的控制极与击穿二极管(D₂)的正极相连接，该击穿二极管(D₂)的负极经电容(C₃) 后与可控硅(S)的负极相连接。 

进一步，开关三极管(N)的集电极经限流电阻(R₁)，与直流方波的输入端(c)相连接，发射极经限流电阻(R₃)，与直流方波的另一个输入端(d)相连接； 

在本发明中，电阻R₃的选取，要既能保证电阻上电压有足够幅值，又能使功耗尽量小，即可靠运行的前提下，越小越好。 

通过以上改进方法，与传统的工频镇流器相比，本发明具有如下优点和积极效果： 

(1)适用于独立的光伏照明系统，特别是采用蓄电池储能的场合； 

(2)使用高频电感代替传统工频镇流器中的工频电感，并减少了电能变换环节，从而明显提高了光伏路灯照明系统的整体效率； 

(3)电子镇流器工作在高频，从而消除了音频噪音； 

(4)由于高频电感较工频电感体积重量大为减小，故本发明镇流器装置体积和重量大大减小。 

附图说明

图1是工频220V下高压钠灯供电电路图。 

图2是应用本发明镇流器的高压钠灯供电电路图。 

图3是本发明镇流器电路示意图。 

图4是高频电子镇流器启辉脉冲实验波形。 

图5是250W高压钠灯高频电流实验波形。 

1、高压钠灯；2、启辉器；3、工频镇流电感；4、电子镇流器；5、50kHz逆变器；6、DC-DC变换器；7、铅酸蓄电池。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。 

如图2所示，本发明应用在太阳能路灯照明系统中的高压钠灯电子镇流器以及配合供电电路包括： 

(1)直流升压电路 

采取全桥结构的DC/DC升压电路，宽范围输入，多节蓄电池串联后电压在24V到48V都能正常工作，稳压输出220V直流。电压反馈PWM脉宽调制功能由SG3525A控制芯片实现。两路相差180度的PWM输出经驱动芯片IR2110后驱动全桥的4只功率MOSFET管IRFP260N。逆变得到的交流方波由高频变压器升压后整流得到直流高压。这部分电路的开关频率为50kHz。 

(2)高频逆变电路 

220V直流经过4只功率MOS管IRFP460N组成的全桥电路逆变后，得到高频交流方波，作为电源供给高压钠灯高频电子镇流器工作。MOS管驱动信号由IR2155振荡得到，开关频率和死区时间分别可调。 

(3)电子镇流器 

电子镇流器包括启辉部分、高频镇流电感和高压钠灯的电流检测信号的形成电路，与高压钠灯配合工作。高压钠灯启辉前，启辉电路不断发出高压脉冲，直到将灯管内气体击穿；高压钠灯的电流检测信号的形成电路检测到其工作电流后，启辉电路立即停止工作。将工作频率提高到25kHz以上，超出音频范围，一方面缩小了镇流电感体积、减小其功耗，一方面也消除了噪音污染。 

图2中，蓄电池输出通过全桥结构的DC/DC电路升压后，得到220V直流输出；该升压电路的控制由开关电源集成控制芯片SG3525A实现。当蓄电池输出电压在一定范围内波动时，控制芯片通过调整全桥电路的驱动信号占空比对电压波动进行补偿，从而能够保持稳定的电压输出；220V直流电压再经过高频逆变电路逆变得到高频交流方波，作为电源供给高压钠灯高频电子镇流器工作。 

本发明镇流器电路如图3所示，高频镇流电感(T₁),原边线圈(T₁₁)的一端接高频交流方波输入端(a)，所述高频交流方波来自所述电子镇流器前级的50kHz逆变器的输出端，该原边线圈(T₁₁)的另一端接高压钠灯(H)； 

高压钠灯启辉电路，含有： 

开关三极管(N)，该管的集电极经限流电阻(R₁)接直流方波输入端(c)， 发射极经限流电阻(R₃)接直流方波另一个输入端(d)， 

高频镇流电感(T₁)的感应线圈(T₁₂)，一端依次经过相互串接的电容(C₁)、电阻(R₂)后与所述直流方波输入端(c)相连，而另一端接该直流方波的另一个输入端(d)； 

击穿保护支路，含有可控硅(S)和击穿二极管(D₂)，所述可控硅(S)的正极接由所述电阻(R₂)、电容(C₁)串接构成的阻容串接支路的中点，而负极接所述直流方波输入端(d)，所述可控硅(S)的控制极接所述击穿二极管(D₂)的正极，而该击穿二极管(D₂)的负极经电容(C₃)后接所述可控硅(S)的负极； 

高压钠灯的电流检测信号的形成电路，含有： 

电流感应器(T₂)，原边(T₂₁)的两端分别接高频交流方波的输入端(b)以及所述高压钠灯(H)的另一端； 

电阻(R₃)，并接于所述电流感应器(T₂)的感应线圈(T₂₂)的两端； 

由整流二极管(D₁)及电容(C₂)形成的串接支路，该支路并接于所述电阻(R₃)的两端，所述整流二极管(D₁)的负极与所述高压钠灯启辉电路中三极管(N)的基极相连，输入电流检测信号，所述电容(C₂)的另一端接所述直流方波的输入端(d)。 

通过在镇流电感T1耦合的线圈T12上加上固定时间间隔的直流脉冲，在T11绕组上感应出3000V以上高压，将灯启辉(实验波形如图4)。灯点燃后，电流感应器T2感应高压钠灯电流，产生电流检测信号，关断启辉放电电路，镇流器输出稳定的电流(实验波形如图5所示)。镇流电感采用高频磁芯绕制。通过提高频率，高压钠灯所需镇流器的电感量也大大减小，从而减小了它的体积和损耗。 

选取合适的R₃值既能保证电阻上电压有足够幅值，使电流检测信号可以可 靠关断启辉电路，又能使功耗尽量小，避免线路板局部发热并可提高整体效率。 

本发明不限于上述实施例，一切采用等同替换或等效替换形成的技术方案均属于本发明要求保护的范围。 

Claims (4)

1.一种应用于光伏路灯照明系统中的高压钠灯电子镇流器，包括：高频镇流电感、高压钠灯启辉电路、高压钠灯的电流检测信号的形成电路，其中，

所述高频镇流电感是采用高频磁芯绕制的镇流电感，其原边线圈的一端连接高频交流方波的输入端，另一端连接高压钠灯；

所述高压钠灯启辉电路包括开关三极管、高频镇流电感的感应线圈、击穿保护支路，所述开关三极管的集电极和发射极分别与直流方波的两个输入端相连接；所述高频镇流电感的感应线圈的两端分别与直流方波的两个输入端相连接；所述击穿保护支路包括可控硅和击穿二极管；

所述高压钠灯的电流检测信号的形成电路，包括电流感应器、限流电阻、串接支路，所述电流感应器的原边线圈的两端分别连接所述高频交流方波的输入端、高压钠灯；所述限流电阻并接于所述电流感应器的感应线圈的两端；所述串接支路并接于所述限流电阻的两端，由整流二极管及电容组成，所述整流二极管的负极与所述高压钠灯启辉电路中开关三极管的基极相连接，所述电容的另一端连接所述直流方波的输入端。

2.根据权利要求1所述的高压钠灯电子镇流器，其特征在于：还包括一个阻容串接支路，该阻容串接支路由电阻和电容串接而成，所述阻容串接支路的一端与所述直流方波的一个输入端相连接，所述阻容串接支路的另一端与所述高频镇流电感的感应线圈相连接。

3.根据权利要求2所述的高压钠灯电子镇流器，其特征在于：所述击穿保护支路中，所述可控硅的正极与所述阻容串接支路的中点相连接，所述可控硅的负极与所述直流方波的一个输入端相连接；所述可控硅的控制极与所述击穿二极管的正极相连接，所述击穿二极管的负极与所述可控硅的负极相连接。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的高压钠灯电子镇流器，其特征在于：所述开关三极管的集电极和发射极分别经两个限流电阻与直流方波的两个输入端相连接。