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(biāo) 高壓鈉燈屬第三代節(jié)能型高強(qiáng)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(diǎn),廣泛應(yīng)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(fù)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(diǎn),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(yīng)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(shè)計(jì)中，經(jīng)常應(yīng)用到SG3525或TL494等芯片作為半橋驅(qū)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(diǎn)，它的驅(qū)動能力較強(qiáng)，直接可以驅(qū)動大多數(shù)的MOS管，不需要對信號進(jìn)行放大和隔離，同時(shí)對于高壓鈉燈在高頻出現(xiàn)的燈振現(xiàn)象，用555芯片來調(diào)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(shè)計(jì)都比較簡單，其中可以根據(jù)要求制作需要的變壓器，實(shí)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(guān)介紹的功能及相關(guān)介紹3 半橋控制電路和諧振電路設(shè)計(jì)半橋控制電路和諧振電路設(shè)計(jì)4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及展望實(shí)驗(yàn)結(jié)果及展望1.1主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(qū)動器，是一個半橋控制驅(qū)動專用芯 片，可以提供兩路 輸出的半橋驅(qū)動。 1 半橋控制主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及半橋控制主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jìn)行了具體的電路實(shí)驗(yàn)。最后設(shè)計(jì)了一只250W高壓鈉燈高頻電子鎮(zhèn)流器。IR2153的功能及相關(guān)介紹 IR2153是一個高壓、高速、自激振蕩功率MOS管和IGBT管的驅(qū)動器，是一個半橋控制驅(qū)動專用芯片，可以提供兩路輸出的半橋驅(qū)動。內(nèi)部采用浮動通道方式，可實(shí)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(guān)閉兩個驅(qū)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(shí)間，防止半橋兩個MOS管同時(shí)導(dǎo)通。該實(shí)驗(yàn)中驅(qū)動的是IRFP460管子，該管子是N-溝道增強(qiáng)型硅柵功率場效應(yīng)晶體管。圖圖4 IR21534 IR2153經(jīng)典電路應(yīng)用經(jīng)典電路應(yīng)用 如如下面下面圖圖4 4所示，所示，典型的典型的IR2153IR2153驅(qū)動驅(qū)動MOSFETMOSFET的應(yīng)用圖。的應(yīng)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(gòu)成振蕩器的外接元件；同時(shí)通過端接的電容共同構(gòu)成振蕩器的外接元件；同時(shí)通過圖中的圖中的shutdownshutdown來控制場效應(yīng)管

5、來控制場效應(yīng)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(gòu)成自舉電源供電電路。由第構(gòu)成自舉電源供電電路。由第7 7腳高驅(qū)動端和第腳高驅(qū)動端和第5 5腳低驅(qū)動端分別產(chǎn)生有時(shí)間間隔的兩個腳低驅(qū)動端分別產(chǎn)生有時(shí)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(jié)構(gòu)，它是兩個功率開關(guān)器件（如MOS管）以圖騰柱的形式相連接，以中間點(diǎn)作為輸出，提供方波信號。 這種結(jié)構(gòu)在電子鎮(zhèn)流器等場合有著廣泛的應(yīng)用。上下兩個

6、管子由反相的信號控制，當(dāng)一個功率管開時(shí)，另一個關(guān)斷，這樣在輸出點(diǎn) OUT 就得到電壓從0到HV的脈沖信號。由于開關(guān)延時(shí)的存在，當(dāng)其中的一個管子?xùn)艠O信號變?yōu)榈蜁r(shí)，它并不會立刻關(guān)斷，因此一個管子必須在另一個管子關(guān)斷后一定時(shí)間方可開啟，以防止同時(shí)開啟造成的電流穿通，這個時(shí)間稱為死區(qū)時(shí)間，如圖中 Td所示。 圖5 半橋電路結(jié)構(gòu)及高低側(cè)驅(qū)動信號 半橋結(jié)構(gòu)IR2153控制電路 圖6中為半橋逆變主電路和控制電路。當(dāng)整流后經(jīng)變壓器把電壓降下來的15.6V電壓對C5充電，同時(shí)也由UF4007對C4充電。當(dāng)C5正極電位上升到15.6V時(shí)，IR2153輸出帶有約2us的死區(qū)時(shí)間的互補(bǔ)調(diào)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(gòu)成的諧振網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)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(xiàng)： （1）驅(qū)動芯片IR2153自舉電壓用的隔離二極管，要用超快恢復(fù)，實(shí)驗(yàn)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(guān)損耗很大，甚至造成兩管同時(shí)開通。所以建議在實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)根據(jù)情況調(diào)到適

8、合的值。 （3）應(yīng)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(qū)動能力比較強(qiáng)，但是需要在一定范圍的頻率里，建議驅(qū)動IRFP460時(shí)工作頻率不高于50K，應(yīng)該30K最佳，實(shí)驗(yàn)中的頻率選擇的是40KHZ。 下圖是IR2153產(chǎn)生的40KHZ的脈沖圖圖7 IR2153 產(chǎn)生產(chǎn)生PWM脈沖波形脈沖波形 諧振電路設(shè)計(jì) 高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器中實(shí)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(fù)載，一般情況下負(fù)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(jīng)過計(jì)算和不斷實(shí)驗(yàn)，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(diǎn)。 串聯(lián)諧振負(fù)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(shí)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(wǎng)絡(luò)，所以諧振時(shí)的頻率主要由C10和L的電感值決定即: 假設(shè)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?yàn)樗呢?fù)阻特性，在其逆變電路里加限流電感，這個電感高壓鈉燈因?yàn)樗呢?fù)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(jīng)過計(jì)算，串聯(lián)諧振中的的大小，經(jīng)過計(jì)算，串聯(lián)諧振中的 時(shí)，要得到時(shí)，

10、要得到 的頻率，的頻率，那么電感值應(yīng)該等于那么電感值應(yīng)該等于 。FC1KHZ40mH015. 0變壓器的制作 由實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)要制作的。在變壓器的設(shè)計(jì)中，存在著諸多的問題，如計(jì)算公式多、參數(shù)復(fù)雜等。在此就高頻高壓鈉燈半橋驅(qū)動變壓器提供了一種新的設(shè)計(jì)方法。主要研究了高頻高壓鈉燈半橋驅(qū)動變壓器參數(shù)的計(jì)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(jì)算出電路中的各個參數(shù)，降低了計(jì)算的難度。 高頻高壓鈉燈半橋驅(qū)動變壓器設(shè)計(jì)： 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(jì)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(jì)算輸入功率 根據(jù)輸入功率、輸出效率之間的關(guān)系，求輸入功率： )61 (5 .3128 . 0250%800WPPi3.3.3計(jì)算Ap值選擇磁芯 因?yàn)槲覀冄芯康陌霕蝌?qū)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(jì)算初級、次級匝數(shù)計(jì)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(jié)果大于上面公

13、式（結(jié)果大于上面公式（1-71-7）計(jì)算值，此）計(jì)算值，此材料符合實(shí)驗(yàn)的要求。所以材質(zhì)選用材料符合實(shí)驗(yàn)的要求。所以材質(zhì)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?yàn)閏psADVN55221NNn且匝所以4426 . 15525512NN 這樣變壓器的設(shè)計(jì)完成了，初級匝數(shù)定為這樣變壓器的設(shè)計(jì)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(jìn)行，根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)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(guān)，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(guān)，還與鐵芯中的氣隙以及線圈繞的疏密程度有關(guān)，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(guān)，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(diǎn)燃HID燈時(shí)，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(nèi)的頻率中

15、其中一個相同，就有可能產(chǎn)生聲共振。高強(qiáng)度氣體放電中，金鹵燈容易產(chǎn)生“聲共振”，高壓鈉燈也會產(chǎn)生聲共振，所以必須做防燈振電路。如圖8所示，用555芯片產(chǎn)生低頻信號，最后經(jīng)過C7，信號送給IR2153的3腳，使其頻率發(fā)生改變，以達(dá)到防止燈振。三極管Q3只需要普通的NPN即可，VR2對555芯片產(chǎn)生的低頻信號的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，R7可以對IR2153產(chǎn)生的頻率變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。 圖圖8 防燈振電路防燈振電路研究結(jié)論 使用MC33262D芯片和IR2153設(shè)計(jì)的250W高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器，滿足了功率因數(shù)校正，能達(dá)到0.99以上，極大的減小無功電流，減小線路損耗，改善電網(wǎng)供電質(zhì)量減小了諧波對電網(wǎng)的污染。在啟動電路中，啟動時(shí)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(shí)驗(yàn)中高壓鈉燈有閃一下，說明了IR2153沒有正常工作，無法產(chǎn)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(shí)驗(yàn)中這個比較容易實(shí)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(chǎn)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(diào)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(shí)驗(yàn)中，出現(xiàn)由于產(chǎn)