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

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【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。此方案具有性能稳定、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?2503.3.1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?312Bm?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 首先，由于加在变压器初级两端的电压和高压钠灯启动所需的电压比值，初步确定变压器的匝数比为2:55左右， 即n?2 55D0.48??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）线径D1： I?2.27A,f?40KHZ,J?4A/mm 2 D1?1.13IJ (1-9) ?0.85125mm穿透深度d： d?66.1?0.3305mm （1-10） f2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?100N12? （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。实验后进行了经验总结: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。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xc3g.html