基于IR2153半桥串联谐振的高压钠灯研究

基于IR2153半桥串联谐振的高压钠灯研究 ××学院 ××专业 学号: ×× 姓名: ×× 【摘要】本文介绍了一种基于IR2153的半桥串联谐振的高压钠灯研究， 进行了IR2153半桥驱动MOS管的相关实验。文章简单分析了整个主电路 拓扑结构及主板工作原理,着重论述了IR2153半桥串联谐振的相关研究， 其中包括了IR2153半桥控制电路，谐振电路设计，变压器的制作，防止声 共振现象等。此具有性能稳定、功率因数高、实用性强等特点。 【关键词】高压钠灯;IR2153;串联谐振;变压器制作; Half-bridge series-resonant research of HPS Lamps based on IR2153 Quanzhou Normal University College of Physics and Information Engineering 09 Physics 090302052 Hongzhizhong Instructor Panyuzhuo Senior Technician Abstract :This paper introduces a Half-bridge series-resonant research of High Pressure Sodium Lamps(HPS Lamps) based on IR2153 , and carries on experiment IR2153 half-bridge driving MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).The article briefly analyzes the entire main circuit topology and working principle.Focused on the research of IR2153 half-bridge series-resonant, including the control circuit of IR2153 half-bridge, the design of resonant circuit, the production of transformers; preventing acoustic resonance phenomenon etc. This program has a stable performance, the high power factor, practical etc. Key words :HPS Lamps; IR2153; Series-resonance; The production of transformers; 0引言 高压钠灯属第三代节能型高强度气体放电( HID)光源,其凭借高光效、紫外线辐射小、良好的透雾性、长寿命、耐震、亮度高等优点,广泛应用于交通、工厂等公共道路照明中。但是由于气体放电灯的负阻特性,要使气体放电灯稳定工作,往往需要专门的限流线路才能工作，也就是大家熟知的镇流器。其中电子镇流器以其功率因数高、效率高、体积小、重量轻、无频闪等优点,所以深入研究电子镇流器将是一直需要研究的课题，目的是完善它的功能，使其节能，成本不断降低，应用更加广泛。 其中电子镇流器的重要组成部分--控制电路。在控制电路设计中，经常应用到SG3525或TL494 等芯片作为半桥驱动，但是大多需要做一臂隔离或两臂隔离。IR2153芯片正是克服了这个缺点，它的驱动能力较强，直接可以驱动大多数的MOS管，不需要对信号进行放大和隔离，同时对于高压钠灯在高频出现的灯振现象，用555芯片来调制主频防止灯振，该IR2153芯片的半桥控制电路和串联谐振电路的设计都比较简单，其中可以根据要求制作需要的变压器，实现的不同要求。 1.半桥控制主电路拓扑结构及主板工作原理 如图1、2所示高压钠灯电子镇流器详细的原理图，可分为EMI滤波、桥式整流电路、功率因数控制(APFC)、IR2153半桥控制、声共振、LC串 联谐振、变压器、启动电路等部分。 图1 EMI滤波、桥式整流电路和APFC 图2 启动电路 图1中的F1保险丝和Rv1压敏电阻组成的过流过压保护电路外，电子镇流器的输入电路主要是EMI滤波器，主要作用是滤除外界电网的高频脉冲对电源的干扰，同时还有减少开关电源本身对外界的电磁干扰;桥式整流器是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的电路，常用来将交流电转变为直流电;用MC33262D芯片做成的功率因数校正，可以达到0.99以上，极大的减小无功电流，减小线路损耗，改善电网供电质量;由IR2153组成的半桥控制电路，其驱动能力较强;LC串联谐振，先是固定C值，再由已知的频率，确定了其电感值L，再结合图2中启动电路变压器所需要的匝数比，制作所需要的变压器。如果需要取样反馈到芯片，则可以从Q4管接一个电阻到地进行取样，及时进行反馈，并作出相应的反应。图中的启动电路，经过电阻进行分压，待到加在线圈两端电压有100V时，可控硅导通，变压器的另外一端有几千伏的电压加在灯泡两端，高压钠灯便启动了。 2.IR2153的功能及相关介绍 IR2153是一个高压、高速、带有高低端驱动的半桥驱动器，是一个半桥控制驱动专用芯片，可以提供两路输出的半桥驱动。IR2153输出两个具有1.2us的死区时间，防止了两个MOS管可能同时导通，适用于占空比为50%的场合。其CT脚兼有保护关断功能，可以用一个低电压控制信号使驱动器停止输出。该实验中驱动的是IRFP460管子，该管子是N-沟道增强型 硅栅功率场效应晶体管。 IR2153的内部功能图如图3所示: 图3 IR2153的内部功能图 其经典应用电路如下: 图4 IR2153经典电路应用 如图4是典型的IR2153驱动MOSFET的应用图。IR2153的第2脚RT端接的电阻和第3脚CT端接的电容共同构成振荡器的外接元件;同时通过图中的shutdown来控制场效应管,可以让振荡器停止工作;第6脚VS、第8脚VB端之间的电容C和VB、VCC之间的二极管D构成自举电源供电电路 和第5脚低驱动端分别产生有时间间隔的两个PWM脉冲，提供给两个MOS管。 IR2153功能特点: (1)频率可调，改变引脚3外接电容CT值、引脚2外接电阻RT值来调节芯片的PWM输出频率，即: f0?[1]。由第7脚高驱动端1 (1.1) 1.4(RT?75)?CT 比如:当CT?1nF,RT?10K?~50K?,可从IR2153的工作频率大约在14KHZ~70KHZ之间。 (2)具有PWM脉冲信号锁存功能，当引脚3的电压大于2.5V时，可以及时封锁脉冲输出，防止出现过压过流等故障。 (3)其内部采用浮动通道设计[10],可实现自举工作,工作方式有三种:固定频率模式;动态频率 模式;连续频率控制模式。本设计要求频率变化可控,所以采用连续频率控制模式，它是在VCC固定的情况下,通过调节振荡器的触发电压来改变频率。 (4)IR2153的重要的技术说明。 第7脚是高标驱动输出脚，高边驱动是自举供电的，测量它的波形时候“基准点”应该选在外部MOS管的源极S。同时应注意:使用多路示波器时候只能单路“接地”，否则电路不会正常工作。同时第7脚因为是高压驱动信号，参考端又是电压剧烈变动的“热端”，建议用高压差分探棒，如果没有条件，可以用两个探棒，让示波器求2个通道之间的差，但是其测出波形不如差分探棒清晰。 3.半桥控制电路和谐振电路设计 3.1 控制电路的组成 如图5所示的半桥结构及高低侧驱动信号，它是以图腾柱的形式相连接的两个功率开关器件(如MOS管等)，以中间点作为输出点 ，可以提供方波信号，分别为 High Diver和Low Driver。 这种半桥结构在电子镇流器等场合有着非常广泛的应用。上下两个管子Q1和Q2由反相的信号控制，当其中一个功率管开时，另外一个功率管关断，这样在输出点OUT，就会得到电压从0到HV的脉冲信号。由于着开关延时，当其中的一个管子栅极信号变为低时，它并不会立刻关断，因此一个管子必须在另一个管子关断后一定时间方可开启，以防止同时开启造成的电流穿通，这个时间称为死区时间，如图中的Td所示。 图5 半桥电路结构及高低侧驱动信号 图6为半桥逆变主电路和控制电路。当整流后经变压器把电压降下来的15.6V电压对C5充电，同时也由UF4007对C4充电。当C5正极电位上升到15.6V时，IR2153输出带有约1.2?s的死区时间的互补调制信号，频率由IR2153的RT(VR1)、CT(C1)决定，并通过限流电阻R1、R2对Q1、Q2触发。使得输出恒定高频方波序列供后极由电容、电感及灯构成的谐振网络。当灯被顺利启动后，就在灯的两端流过高频正弦电流。其中自激振荡是由电源UF4007对C4充电和C4通过VB脚和R1放电完成[8]。 IRFP460管栅极串联电阻的确定:从理论上说，MOS管的输入电阻很大，所以R1、R2这两个电阻绝不是为了提升输入电阻或者限流作用。在低频条件下，这个电阻可以不接。但在高频时，情况就不一样，MOS管的输入阻抗将降低，而且在某个频率范围内将变成负阻，会发生振荡。为改变控制脉冲的前后沿陡度和防止震荡，减小集电极的电压尖峰，应在栅极串上合适的电阻R。 实验时应注意: (1)驱动芯片IR2153自举电压用的隔离二极管，要用超快恢复，实验中选择了UF4007二极管; (2)R1、R2阻值不能太大，IRFP460栅电容那么大,只要测下栅极的波形就可以知道，上升和下降沿都不陡峭，必然开关损耗很大，甚至造成两管同时开通。所以建议在实验时应根据情况调到适合的值。 (3)应该注意布线,MOS管与IC的引脚距离要短而粗,IC地端直接接靠近下MOS管的地方; (4)虽然IR2153驱动能力比较强，但是需要在一定范围的频率里， 建议驱动IRFP460时工作频率不高于50K，应该30K最佳，实验中的频率选择的是40KHZ。实验中具体的原理图如下: 图6 IR2153控制电路 下面图7是IR2153产生的40KHZ的脉冲，其幅值大概在十几伏，两脉冲的死区时间可以通过原理图中的VR1值进行调节。 图7 IR2153 产生PWM脉冲波形 3.2 谐振电路设计 高压钠灯电子镇流器中实际上是一个高频自激振荡变换器，高压钠灯灯管就是变换器中的负载，一般情况下负载电路里都要一个串联谐振电路，这对于高压钠灯的正常工作起到稳定电流的作用。经过计算和不断实验，逐步改变串联谐振电路中的各个参数，使其尽量接近合适的Q值点。 串联谐振负载电路提供给高压钠灯灯管的电压是高频正弦波，这样会使得电极损耗尽量减少，电弧相对稳定，同时高频谐振供电提高了灯发光效率。 图6中，线圈L、HPS灯、C10组成谐振网络，所以谐振时的频率主要由C10和L的电感值决定 即: fr? 假设谐振频率是40KHZ 12?LC (1-2) 由上式变换得L?11?24?3.142?10?6?(40?103)24?2Cfr(1?3) ?0.015mH 高压钠灯因为它的负阻特性，在其逆变电路里加限流电感，这个电感值的大小，经过计算，串联谐振中的C?1?F时，要得到40KHZ的频率，那么电感值应该等于0.015mH。 3.3 变压器的制作 由实验的原理图可知，串联谐振中电感的线圈是启动电路中变压器的一端，所以在固定电容值后，具有电感L值和匝数比的变压器正是实验要制作的。在变压器的设计中，存在着诸多的问题，如计算公式多、参数复杂等。在此就高频高压钠灯半桥驱动变压器提供了一种新的设计方法。主要研究了高频高压钠灯半桥驱动变压器参数的计算公式，包括磁芯材料、线径、穿透深度、匝数比、初级线圈等公式，从而计算出电路中的各个参数，降低了计算的难度。 高频高压钠灯半桥驱动变压器设计: 输入AC:220V?10%，效率:80%，工作频率f?40KHZ，输出电压100V，电流I?2.27A， 输出功率PW，电流密度J?4.0A/mm2，最大磁感应强度Bm?0.3T。 0?250 3.3.1计算最小直流电压和最大直流电压 Emin?220?0.9?1.1?218V (1-4) Emax?220?1.1?1.4?339V (1-5) 3.3.2计算输入功率 根据输入功率、输出效率之间的关系，输入功率为: Pi? P0? 250??312.5W0.8 (1-6) 3.3.3计算AP值选择磁芯 因为实验研究半桥驱动变压器是在高频的情况下的，所以采用铁氧体材料，铁氧体材料具有较高的电阻率，涡流损耗比较低，是高频变压器磁芯的首选材料。实验中f?40KHZ,P.5W, i?312 Bm?0.3T,Ku?0.4,Ki?1，把这些数据代入(1-7)公式 Pi?102Ap?Aw?Ae?2?f?Bm?J?Ku?Ki ?312.5?10?0.813832?40?10?0.3?4?0.4?12 (1-7) A16氧化铁材料E41/19/12磁芯，其中 Ae?121(mm2),Acp?100(mm2),?B?0.3T Ap?Aw?Ae?0.994?1.21?1.20274?0.8138，结果大于上面公式(1-7)计算值，此材料符合实验的要求。所以材质选用A16氧化铁材料E41/19/12磁芯。 其中Ae--铁芯有效面积(mm)，Acp--磁芯中心柱面积(最小值)，?B--磁感应增量值(T)。 2 3.3.4计算初级、次级匝数 D0.48??12?s (1-8) f40000 在半桥电路中，因为占空比D必须小于0.5才能正常工作，取D=0.48 Ton? 其中Ton??导通时间( ?s) 穿透深度d: d?66.1?0.3305mm (1-10) f 2由已知的电流大小，电流密度，一般是取4.0A/mm，代入公式算出 线径，由上述的计算得 D1?0.85125mm,d?0.3305mm; 因为D1?0.85125?2d?0.661，所以采用多股线或利兹线。同时多股导线散热性好，两段导线连接时更结实牢固，更重要的是导线的集肤效应决定了多股的导电会更好。 又因为初级匝数?半输入电压?脉宽 磁通密度?铁芯有效截面 (1-11) 把具体的数据代入上式可得初级线圈匝数N1的最小值: N1?Vs?D100?0.48??1.6匝 (1-12) ??Acp0.3?100 N12? (1-13) N255又因为匝数比: n? 则次级线圈匝数:N2?55N155?1.6??44匝。 (1-14) 22 这样变压器的设计完成了，初级匝数定为2匝，次级匝数大概在55左右，线圈采用多股线或利兹线，电感值由串联谐振求得的值0.015mH，根据这些参数进行变压器制作，在制作的过程中，由于电感值除了和线圈的匝数有关，还与铁芯中的气隙以及线圈绕的疏密程度有关，所以在线圈的匝数固定了之后，可以通过改变线圈绕的疏密程度和气隙的大小，来改变电感值的大小，待这些值都符合了之后，变压器的制作便完成了。 3.4 防灯振电路 在采用高频电源点燃HID灯时，只要镇流器的工作频率与声共振频率 中的基波和高次谐波在内的频率中其中一个相同，就有可能产生声共振。高强度气体放电中，金卤灯容易产生“声共振”，高压钠灯也会产生声共振，所以必须做防灯振电路。如图8所示，用555芯片产生低频信号，最后经过C7，信号送给IR2153的3脚，使其频率发生改变，以达到防止灯振。三极管Q3只需要普通的NPN即可，VR2对555芯片产生的低频信号的频率进行调节，R7可以对IR2153产生的频率变化进行调节。 图8 防灯振电路 4 实验结果及展望 使用MC33262D芯片和IR2153设计的250W高压钠灯电子镇流器，满足了功率因数校正，能达到0.99以上，极大的减小无功电流，减小线路损耗，改善电网供电质量减小了谐波对电网的污染。在启动电路中，启动时只要正常提供给MOS脉冲，启动电路能够正常而且稳定的启动起来，如果实验中高压钠灯有闪一下，说明了IR2153没有正常工作，无法产生波形。由已知的谐振频率，确定其变压器所需要的各个参数，可以根据不同要求制作需要的变压器，实验中这个比较容易实现，这样使得串联谐振可以适用于不同功率的高压钠灯。图8防灯振电路，555芯片产生的低频信号促使IR2153频率的变化，如何频率变化太快，则可以通过调节图中的电阻R7值，让其频率比较缓慢的在40KHZ左右范围小幅度的变化。在实验中，出现由于产生的信号幅值不够大，所以无法使IRFP460间歇关断，进而经常会烧管。经过反复实验和调试，使得IR2153产生正常频率40KHZ的PWM脉冲。实验后进行了经验:由于经验少、水平低，电路设计中可能还存在着不足之处，有待进一步改进，以达到实用化的要求。 参考文献 [ 1]刘开绪. 基于IR2153的高压直流电源电路设计[J]. 大庆师范学院学报. 2006 [ 2]毛兴武,祝大卫. 电子镇流器原理与制作[M]. 人民邮电出版社. 1999:42~286 [ 3]周荣相. 高压钠灯的发展动态. 关电技术[M]. 1999:13~16 [ 4]刘胜利. 现代高频电源实用技术[M ]. 北京:电子工业出版社. 2001. 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