CN2907171Y - Hid灯用低频正弦波电子镇流器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种HID灯用低频正弦波电子镇流器，其主电路拓扑由四个开关管(VQ₁～VQ₄)、两个交流电容(C₁、C₂)、两个缓冲电容(C_p1、C_p2)、零纹波耦合电感(L_o、L_r)、两个滤波电容(C_o、C_r)、检测电阻(R_s)、触发器(L_T)以及输入端共模－差模滤波器构成。VQ₁～VQ₄组成双向交流降压变换器，采用PWM控制，不使用大容量电解电容，输入功率因数接近1；L_o、L_r与C_o、C_r组成零纹波滤波网络，供给HID灯稳定的工频正弦电压和电流，不但避免了声振荡现象，而且实现了零电压软开关(ZVS)。该镇流器结构简单、效率高、可靠性高、体积小、成本低、寿命长，可广泛适用于高压钠灯和金卤灯。

Description

HID灯用低频正弦波电子镇流器

本实用新型涉及一种HID灯用低频正弦波电子镇流器。

目前，高强度放电(HID)灯主要包括高压钠灯、金卤灯，属于第三代电光源，其功率范围35W～1kW，光效达80～1401m/W，寿命可达24000h，广泛应用于道路、码头、机场、矿山、厂房、广场、商店、庭院等室外照明。由于HID灯的工作电压在100～150V左右，且具有负的V-I特性，故必须加入镇流器以提供合适稳定的工作电压和电流。

传统的电感式镇流器存在许多缺点：①大而笨重，消耗大量的铜材和硅钢片；②功率因数低，补偿时需较大的电容器；③镇流器本身耗能大，效率低。随着电力电子技术的发展，研究和开发与之配套的高效率、高功率因数、高可靠性、低成本、小体积的HID灯电子镇流器，实施绿色照明工程，具有显著的经济效益和社会效益。

HID灯电子镇流器的主要技术障碍是声振荡现象。为此，提出了一些电路拓扑和控制方法，主要包括：低频方波镇流器、超高频谐振式镇流器、频率调制式镇流器等。它们一般为两级电路拓扑，即前级为功率因数校正(APFC)，后级为逆变驱动，所用元器件较多成本高、控制复杂可靠性差。

本实用新型的目的是，克服上述现有技术的不足，提供一种HID灯用低频正弦波电子镇流器，它采用一级开关电路对电网电压进行交流降压变换，供给HID灯合适稳定的工频正弦电压和电流，并实施近似恒功率控制。不但避免了声振荡现象，而且输入功率因数接近1。

本实用新型是这样实现的。

一种HID灯用低频正弦波电子镇流器，其主电路拓扑由四个MOSFET开关管(VQ₁～VQ₄)、两个交流电容(C₁、C₂)、两个缓冲电容(C_p1、C_p2)、零纹波耦合电感(L_o、L_r)、两个滤波电容(C_o、C_r)、检测电阻(R_s)、触发器(L_T)以及输入端共模-差模滤波器构成，如图1所示。

该镇流器各元器件的连接关系是：交流电网电源(V_s)经输入端共模-差模滤波器后，送出两个交流电压输出端(①、②)，①端连接开关管(VQ₁)的漏极和交流电容(C₁)的一端，VQ₁的源极连接开关管(VQ₃)的漏极，并作为节点A；②端连接开关管(VQ₂)的漏极和交流电容(C₂)的一端，VQ₂的源极连接开关管(VQ₄)的漏极，并作为节点B。开关管(VQ₃、VQ₄)的源极接在一起，连接检测电阻(R_s)的一端，R_s的另一端接两个交流电容(C₁、C₂)的另一端。缓冲电容(C_p1)的一端连接节点A，另一端连接VQ₁的漏极或VQ₃的源极；缓冲电容(C_p2)的一端连接节点B，另一端连接VQ₂的漏极或VQ₄的源极。零纹波耦合电感(L_o、L_r)的一对同名端接在一起，并且连接节点A或B；L_o的另一端连接滤波电容(C_o)的一端，L_r的另一端连接滤波电容(C_r)的一端；两个滤波电容(C_o、C_r)的另一端接在一起，并且连接节点B或A。触发器(L_T)与HID灯串联后，并联在C_o两端。

该镇流器的工作原理。

四个开关管(VQ₁～VQ₄)组成双向交流降压(Buck)变换器，电感(L_o、L_r)采用磁集成技术绕在同一磁芯上，满足零纹波条件，即：

$k=(0.9~1.1)\sqrt{L_r{/L}_o}---\left(1\right)$

式中：k——L_r与L_o的耦合系数。

电感(L_o、L_r)与C_o、C_r组成零纹波滤波网络。C₁、C₂为输入滤波电容。C_p1、C_p2与开关管并联，以实现零电压软开关(ZVS)。

设①端电压高于②端电压时，称为正半波；②端电压高于①端电压时，称为负半波。电网电压正半波时，控制开关管VQ₄导通、VQ₂导通或关断。对开关管(VQ_l、VQ₃)进行PWM控制，即VQ₁、VQ₃轮换导通(设一定死区)。

当VQ_l导通、VQ₃关断时，电源电流经[①端→VQ₁→L_oC_o滤波网络→HID灯→VQ₂的体二极管→②端]这一通路流动；交流电容(C₁)的放电电流经[VQ₁→L_oC_o滤波网络→HID灯→VQ₄→R_s]这一通路流动。

当VQ₁关断、VQ₃导通时，HID灯电流通过[VQ₄→VQ₃的体二极管→L_oC_o滤波网络]这一通路续流；电源通过检测电阻(R_s)和VQ₂、VQ₄的体二极管给交流电容(C₁)充电。

所以，在正半波周期内，交流电容(C₁、C₂)的端电压平均值

、 分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{V}}_{C1}=V_S\\ {\stackrel{\‾}{V}}_{C2}=0\end{array}{V}_S\≥0---\left(2\right)\right.$

两桥臂中点A、B的输出电压平均值

为：

${\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{AB}}=D_A\·V_S{V}_S\≥0---\left(3\right)$

式中：D_A——开关管VQ₁的导通占空比。

电网电压负半波时，控制开关管VQ₃导通、VQ₁导通或关断。对开关管(VQ₂、VQ₄)进行PWM控制。此期间的工作原理与正半波周期相同，则有：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{V}}_{C1}=0\\ {\stackrel{\‾}{V}}_{C2}=V_s\end{array}\right.V_s\≤0---\left(4\right)$

${\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{AB}}=D_B\·V_S{V}_S\≤0---\left(5\right)$

式中：D_B——开关管VQ₂的导通占空比。

两桥臂中点A、B的输出电压V_AB经过L_o、L_r与C_o、C_r组成的零纹波滤波网络滤波后，C_o两端输出平滑的正弦电压；再经触发器(L_T)初级电感的平波作用，供给HID灯标准的正弦电流。

由于电感(L_o、L_r)零纹波耦合，高频纹波绝大部分从L_rC_r回路流动，L_o中高频纹波电流极小。同时，电感(L_o、L_r)可选较小值，使得总电流(i_Lo+i_Lr)在一个开关周期内能够反向，在缓冲电容(C_p1、C_p2)配合下，四个开关管(VQ₁～VQ₄)可实现零电压软开关(ZVS)。

由于①、②端电压平均值为正弦波形，经输入端共模-差模滤波器滤波，可输入与电网电压同相的平滑正弦电流，即输入功率因数接近1。

检测电阻(R_s)可检测HID灯的大部分电流，以及桥臂直通的短路电流，故通过R_s可以进行电流反馈控制和过流、短路保护。

本实用新型与现有技术相比具有如下优越性：

①该镇流器采用单级电路，实现了交流降压变换，输入功率因数和效率高。

②该镇流器结构简单、PWM控制方便，可靠性高，成本低。

③该镇流器采用零纹波耦合滤波网络，不但使灯电流纹波极小(避免HID灯的声谐振)，而且实现了ZVS软开关。

④该镇流器不使用大容量电解电容，减小电网电流冲击，并延长了寿命。

下面结合附图以最佳实施例详述本实用新型。

图1为该HID灯用低频正弦波电子镇流器的主电路拓扑图。

如图1所示，该HID灯用低频正弦波电子镇流器，其主电路拓扑由四个MOSFET开关管(VQ₁～VQ₄)、两个交流电容(C₁、C₂)、两个缓冲电容(C_p1、C_p2)、零纹波耦合电感(L_o、L_r)、两个滤波电容(C_o、C_r)、检测电阻(R_s)、触发器(L_T)以及输入端共模-差模滤波器构成。

该镇流器各元器件的连接关系是：交流电网电源(V_s)经输入端共模-差模滤波器后，送出两个交流电压输出端(①、②)，①端连接开关管(VQ₁)的漏极和交流电容(C₁)的一端，VQ₁的源极连接开关管(VQ₃)的漏极，并作为节点A；②端连接开关管(VQ₂)的漏极和交流电容(C₂)的一端，VQ₂的源极连接开关管(VQ₄)的漏极，并作为节点B。开关管(VQ₃、VQ₄)的源极接在一起，连接检测电阻(R_s)的一端，R_s的另一端连接两个交流电容(C₁、C₂)的另一端。缓冲电容(C_p1)的一端连接节点A，另一端连接VQ₃的源极；缓冲电容(C_p2)的一端连接节点B，另一端连接VQ₄的源极。零纹波耦合电感(L_o、L_r)的一对同名端接在一起，并且连接节点A；L_o的另一端连接滤波电容(C_o)的一端，L_r的另一端连接滤波电容(C_r)的一端；两个滤波电容(C_o、C_r)的另一端接在一起，并且连接节点B。触发器(L_T)与HID灯串联后，并联在C_o两端。

电感(L_o、L_r)采用磁集成技术绕在同一磁芯上，满足零纹波条件，即： $k=(0.9~1.1)\sqrt{L_r/L_o},$ 式中k为L_r与L_o的耦合系数。

参考设计示例：电网电压u_s＝220V_AC±20％，高压钠灯额定功率P_oe＝250W，开关管VQ₁～VQ₄：IRF840，开关频率f＝50kHz；交流电容C₁＝C₂＝1μF，缓冲电容C_p1＝C_p2＝2nF，零纹波耦合电感L_o＝0.2mH、L_r＝0.15mH，耦合系数k＝0.75，滤波电容C_o＝1μF、C_r＝0.47μF，检测电阻R_s＝0.05Ω。

Claims (1)

1、一种HID灯用低频正弦波电子镇流器，其主电路拓扑由四个MOSFET开关管(VQ₁、VQ₂、VQ₃、VQ₄)、两个交流电容(C₁、C₂)、两个缓冲电容(C_p1、C_p2)、零纹波耦合电感(L_o、L_r)、两个滤波电容(C_o、C_r)、检测电阻(R_s)、触发器(L_T)以及输入端共模-差模滤波器构成；触发器(L_T)与HID灯串联后，并联在滤波电容(C_o)两端；交流电网电源(V_s)经输入端共模-差模滤波器后，送出两个交流电压输出端(①、②)；其特征是：①端连接开关管(VQ₁)的漏极和交流电容(C₁)的一端，开关管(VQ₁)的源极连接开关管(VQ₃)的漏极，并作为节点A；②端连接开关管(VQ₂)的漏极和交流电容(C₂)的一端，开关管(VQ₂)的源极连接开关管(VQ₄)的漏极，并作为节点B；两个开关管(VQ₃、VQ₄)的源极接在一起，连接检测电阻(R_s)的一端，检测电阻(R_s)的另一端接两个交流电容(C₁、C₂)的另一端；缓冲电容(C_p1)的一端连接节点A，另一端连接开关管(VQ₁)的漏极或开关管(VQ₃)的源极；缓冲电容(C_p2)的一端连接节点B，另一端连接开关管(VQ₂)的漏极或开关管(VQ₄)的源极；零纹波耦合电感(L_o、L_r)的一对同名端接在一起，并且连接节点A或节点B，电感(L_o)的另一端连接滤波电容(C_o)的一端，电感(L_r)的另一端连接滤波电容(C_r)的一端；两个滤波电容(C_o、C_r)的另一端接在一起，并且连接节点B或节点A。

Images