畢業(yè)論文課件基于IR2153半橋串聯(lián)諧振的高壓鈉燈研究

1、研究背景及目標 高壓鈉燈屬第三代節(jié)能型高強度氣體放電( HID)光源,其憑借高光效、紫外線輻射小、良好的透霧性、長壽命、耐震、亮度高等優(yōu)點,廣泛應用于交通、工廠等公共道路照明中。但是由于氣體放電燈的負阻特性,要使氣體放電燈穩(wěn)定工作,往往需要專門的限流線路才能工作，也就是大家熟知的鎮(zhèn)流器。其中電子鎮(zhèn)流器以其功率因數(shù)高、效率高、體積小、重量輕、無頻閃等優(yōu)點,所以深入研究電子鎮(zhèn)流器將是一直需要研究的課題，目的是完善它的功能，使其節(jié)能，成本不斷降低，應用更加廣泛。 其中電子鎮(zhèn)流器的重要組成部分-控制電路。在控制電路設計中，經常應用到SG3525或TL494等芯片作為半橋驅動，但是大多需要做一臂隔離或兩

2、臂隔離。IR2153芯片正是克服了這個缺點，它的驅動能力較強，直接可以驅動大多數(shù)的MOS管，不需要對信號進行放大和隔離，同時對于高壓鈉燈在高頻出現(xiàn)的燈振現(xiàn)象，用555芯片來調制主頻防止燈振，該IR2153芯片的半橋控制電路和串聯(lián)諧振電路的設計都比較簡單，其中可以根據(jù)要求制作需要的變壓器，實現(xiàn)的不同要求。研究的展開思路和框架 2 IR2153的功能及相關介紹的功能及相關介紹3 半橋控制電路和諧振電路設計半橋控制電路和諧振電路設計4 實驗結果及展望實驗結果及展望1.1主電路拓撲結構圖1.2主板電路的工作原理3.1 控制電路的組成3.2 諧振電路設計3.3 變壓器的制作3.4 防燈振電路IR2153

3、是一個高壓、高速、自激振蕩功率MOS管和IGBT管的驅動器，是一個半橋控制驅動專用芯 片，可以提供兩路 輸出的半橋驅動。 1 半橋控制主電路拓撲結構及半橋控制主電路拓撲結構及主板工作原理主板工作原理 通過對IR2153半橋電 路電子鎮(zhèn)流器較深入的分析、比較和研究，并進行了具體的電路實驗。最后設計了一只250W高壓鈉燈高頻電子鎮(zhèn)流器。IR2153的功能及相關介紹 IR2153是一個高壓、高速、自激振蕩功率MOS管和IGBT管的驅動器，是一個半橋控制驅動專用芯片，可以提供兩路輸出的半橋驅動。內部采用浮動通道方式，可實現(xiàn)自舉工作。 其腳有一個Shutdown功能，用一個低電壓控制信號可以關閉兩個驅動

4、腳的輸出信號，兩個輸出具有典型值為1.2us的死區(qū)時間，防止半橋兩個MOS管同時導通。該實驗中驅動的是IRFP460管子，該管子是N-溝道增強型硅柵功率場效應晶體管。圖圖4 IR21534 IR2153經典電路應用經典電路應用 如如下面下面圖圖4 4所示，所示，典型的典型的IR2153IR2153驅動驅動MOSFETMOSFET的應用圖。的應用圖。IR2153IR2153的第的第2 2腳腳R RT T端接的電阻和第端接的電阻和第3 3腳腳C CT T端接的電容共同構成振蕩器的外接元件；同時通過端接的電容共同構成振蕩器的外接元件；同時通過圖中的圖中的shutdownshutdown來控制場效應管

5、來控制場效應管, ,可以讓振蕩器停止工作；第可以讓振蕩器停止工作；第6 6腳腳V VS S、第、第8 8腳腳V VB B端之間的電容端之間的電容C C和和V VB B、V VCCCC之間的二極管之間的二極管D D構成自舉電源供電電路。由第構成自舉電源供電電路。由第7 7腳高驅動端和第腳高驅動端和第5 5腳低驅動端分別產生有時間間隔的兩個腳低驅動端分別產生有時間間隔的兩個PWMPWM脈沖，提供給脈沖，提供給兩個兩個MOSMOS管。管。 如圖5所示的半橋結構，它是兩個功率開關器件（如MOS管）以圖騰柱的形式相連接，以中間點作為輸出，提供方波信號。 這種結構在電子鎮(zhèn)流器等場合有著廣泛的應用。上下兩個

6、管子由反相的信號控制，當一個功率管開時，另一個關斷，這樣在輸出點 OUT 就得到電壓從0到HV的脈沖信號。由于開關延時的存在，當其中的一個管子柵極信號變?yōu)榈蜁r，它并不會立刻關斷，因此一個管子必須在另一個管子關斷后一定時間方可開啟，以防止同時開啟造成的電流穿通，這個時間稱為死區(qū)時間，如圖中 Td所示。 圖5 半橋電路結構及高低側驅動信號 半橋結構IR2153控制電路 圖6中為半橋逆變主電路和控制電路。當整流后經變壓器把電壓降下來的15.6V電壓對C5充電，同時也由UF4007對C4充電。當C5正極電位上升到15.6V時，IR2153輸出帶有約2us的死區(qū)時間的互補調制信號，頻率由IR2153的R

7、T（VR1）、CT（C1）決定，并通過限流電阻R1、R2對Q1、Q2觸發(fā)。使得輸出恒定高頻方波序列供后極由電容、電感及燈構成的諧振網絡。當燈被順利啟動后，就在燈的兩端流過高頻正弦電流。其中自激振蕩是由電源UF4007對C4充電和C4通過VB腳和R1放電完成。 圖6 IR2153控制電路IR2153控制電路的注意事項： （1）驅動芯片IR2153自舉電壓用的隔離二極管，要用超快恢復，實驗中選擇了UF4007二極管； （2）R1、R2阻值不能太大，IRFP460柵電容那么大,只要測下柵極的波形就可以知道，上升和下降沿都不陡峭，必然開關損耗很大，甚至造成兩管同時開通。所以建議在實驗時應根據(jù)情況調到適

8、合的值。 （3）應該注意布線,MOS管與IC的引腳距離要短而粗,IC地端直接接靠近下MOS管的地方； （4）雖然IR2153驅動能力比較強，但是需要在一定范圍的頻率里，建議驅動IRFP460時工作頻率不高于50K，應該30K最佳，實驗中的頻率選擇的是40KHZ。 下圖是IR2153產生的40KHZ的脈沖圖圖7 IR2153 產生產生PWM脈沖波形脈沖波形 諧振電路設計 高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器中實際上是一個高頻自激振蕩變換器，高壓鈉燈燈管就是變換器中的負載，一般情況下負載電路里都要一個串聯(lián)諧振電路，這對于高壓鈉燈的正常工作起到穩(wěn)定電流的作用。經過計算和不斷實驗，逐步改變串聯(lián)諧振電路中的各個參數(shù)，使其

9、盡量接近合適的Q值點。 串聯(lián)諧振負載電路提供給高壓鈉燈燈管的電壓是高頻正弦波，這樣會使得電極損耗盡量減少，電弧相對穩(wěn)定，同時高頻諧振供電提高了燈發(fā)光效率。 線圈L、HPS燈、C10組成諧振網絡，所以諧振時的頻率主要由C10和L的電感值決定即: 假設諧振頻率是40KHZ 由上式變換得： )21 (21LCfrmHCfLr015. 0)31 ()1040(1014. 34141236222 所以所以高壓鈉燈因為它的負阻特性，在其逆變電路里加限流電感，這個電感高壓鈉燈因為它的負阻特性，在其逆變電路里加限流電感，這個電感值值 的大小，經過計算，串聯(lián)諧振中的的大小，經過計算，串聯(lián)諧振中的 時，要得到時，

10、要得到 的頻率，的頻率，那么電感值應該等于那么電感值應該等于 。FC1KHZ40mH015. 0變壓器的制作 由實驗的原理圖可知，串聯(lián)諧振中電感的線圈是啟動電路中變壓器的一端，所以在固定電容值后，具有電感L值和匝數(shù)比的變壓器正是實驗要制作的。在變壓器的設計中，存在著諸多的問題，如計算公式多、參數(shù)復雜等。在此就高頻高壓鈉燈半橋驅動變壓器提供了一種新的設計方法。主要研究了高頻高壓鈉燈半橋驅動變壓器參數(shù)的計算公式，包括磁芯材料、線徑、穿透深度、匝數(shù)比、初級線圈等公式，從而計算出電路中的各個參數(shù)，降低了計算的難度。 高頻高壓鈉燈半橋驅動變壓器設計： 輸入AC 220V10%，效率：80%，工作頻率f=

11、40kHz， 輸出電壓100V，電流I=2.27A，輸出功率Po=250W， 最大占空比D=0.48，J=4A/mm2，Bm=0.3T 3.3.1計算最小直流電壓Emin和最大直流電壓Emax Emin=220*0.9*1.1=218V Emax=220*1.1*1.4=339V 3.3.2計算輸入功率 根據(jù)輸入功率、輸出效率之間的關系，求輸入功率： )61 (5 .3128 . 0250%800WPPi3.3.3計算Ap值選擇磁芯 因為我們研究的半橋驅動變壓器是在高頻的情況下的，所以采用鐵氧體材料，鐵氧體材料具有較高的電阻率，渦流損耗比較低，是高頻變壓器磁芯的首選材料。8138. 014 .

12、 043 . 010402105 .312)71 (210A322piumicwKKJBfPAA3.3.43.3.4計算初級、次級匝數(shù)計算初級、次級匝數(shù) 首先，由于加在變壓器初級兩端的電壓和高壓鈉燈啟動所需的電壓比值，初步首先，由于加在變壓器初級兩端的電壓和高壓鈉燈啟動所需的電壓比值，初步確定變壓器的匝數(shù)比為確定變壓器的匝數(shù)比為2:552:55左右，左右， 即即552nA16A16氧化鐵材料氧化鐵材料E41/19/12E41/19/12磁芯，其中磁芯，其中TBmmAmmAcpe3 . 0),(100),(121228138. 020274. 121. 1994. 0ApewAA 結果大于上面公

13、式（結果大于上面公式（1-71-7）計算值，此）計算值，此材料符合實驗的要求。所以材質選用材料符合實驗的要求。所以材質選用A16A16氧化鐵材料氧化鐵材料E41/19/12E41/19/12磁芯。磁芯。,6 . 11003 . 048. 01001匝因為cpsADVN55221NNn且匝所以4426 . 15525512NN 這樣變壓器的設計完成了，初級匝數(shù)定為這樣變壓器的設計完成了，初級匝數(shù)定為2 2匝，次級匝數(shù)大概在匝，次級匝數(shù)大概在5555左右，線左右，線圈采用多股線或利茲線，電感值由串聯(lián)諧振求得的值圈采用多股線或利茲線，電感值由串聯(lián)諧振求得的值0.015mH0.015mH，根據(jù)這些參數(shù)

14、進行，根據(jù)這些參數(shù)進行變壓器制作，在制作的過程中，由于電感值除了和線圈的匝數(shù)有關，還與鐵芯中變壓器制作，在制作的過程中，由于電感值除了和線圈的匝數(shù)有關，還與鐵芯中的氣隙以及線圈繞的疏密程度有關，所以在線圈的匝數(shù)固定了之后，可以通過改的氣隙以及線圈繞的疏密程度有關，所以在線圈的匝數(shù)固定了之后，可以通過改變線圈繞的疏密程度和氣隙的大小，來改變電感值的大小，待這些值都符合了之變線圈繞的疏密程度和氣隙的大小，來改變電感值的大小，待這些值都符合了之后，變壓器的制作便完成了。后，變壓器的制作便完成了。 防燈振電路 在采用高頻電源點燃HID燈時，只要鎮(zhèn)流器的工作頻率與聲共振頻率中的基波和高次諧波在內的頻率中

15、其中一個相同，就有可能產生聲共振。高強度氣體放電中，金鹵燈容易產生“聲共振”，高壓鈉燈也會產生聲共振，所以必須做防燈振電路。如圖8所示，用555芯片產生低頻信號，最后經過C7，信號送給IR2153的3腳，使其頻率發(fā)生改變，以達到防止燈振。三極管Q3只需要普通的NPN即可，VR2對555芯片產生的低頻信號的頻率進行調節(jié)，R7可以對IR2153產生的頻率變化進行調節(jié)。 圖圖8 防燈振電路防燈振電路研究結論 使用MC33262D芯片和IR2153設計的250W高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器，滿足了功率因數(shù)校正，能達到0.99以上，極大的減小無功電流，減小線路損耗，改善電網供電質量減小了諧波對電網的污染。在啟動電路中，啟動時只要正常提供給MOS脈沖，啟動電路能夠正常而且穩(wěn)定的啟動起來，如果實驗中高壓鈉燈有閃一下，說明了IR2153沒有正常工作，無法產生波形。由已知的諧振頻率，確定其變壓器所需要的各個參數(shù)，可以根據(jù)不同要求制作需要的變壓器，實驗中這個比較容易實現(xiàn)，這樣使得串聯(lián)諧振可以適用于不同功率的高壓鈉燈。圖8防燈振電路，555芯片產生的低頻信號促使IR2153頻率的變化，如何頻率變化太快，則可以通過調節(jié)圖中的電阻R7值，讓其頻率比較緩慢的在40KHZ左右范圍小幅度的變化。在實驗中，出現(xiàn)由于產