1 引言
高压钠灯是一种新型节能电光源，具有光效高、寿命长和放电管小等优点，广泛应用于机场、道路、码头等室外照明。然而，与之匹配的传统电感镇流器虽然价格低廉，但有功率因数低(0.4-0.5)、启动电流大、体积大等缺点，不仅造成电网公害，而且还严重影响其它用电设备的正常工作。电子镇流器的出现从根本上解决了这些问题。目前高性能的电子镇流器产品大多采用双功率级结构，即前级的有源功率因数校正级加后级的DC-AC变换，但这种双级式电子镇流器的拓扑结构比较复杂，成本高，而且会降低转换效率。进入20世纪90年代后，一种新型的电荷泵功率因数校正技术逐渐引起了人们的关注。采用这种技术实现的单功率级电荷泵功率因数校正电子镇流器结构简单，成本低，效率高，对电子镇流器这种大批量生产的产品来说，具有重要意义。本文提出的小功率高压钠灯用电子镇流器采用输入电流连续型电荷泵功率因数校正(CIC-CPPFC)技术，不仅能实现近似单位功率因数，而且具有结构简单、电压应力低、功率密度高等优点。
2 CIC-CPPFC电子镇流器的工作原理
电荷泵功率因数校正(CPPFC)技术是人们在探索单功率级功率因数校正变换器技术过程中逐步发展起来的。图1为CIC-CPPFC电子镇流器的主电路图。由电容C1、C2和电感L组成EMI滤波器。Cin为荷泵电容，由它来实现功率因数校正，Lx使输入电流连续，Lr、Cr、Cd构成串并联负载谐振电路。功率开关管Ql、Q2构成半桥电路，由专用驱动芯片IR2153来控制。高压钠灯稳态工作时可以用一等效电阻RL来表示。考虑到一个开关周期内CB中电压波动较小，分析时可以用一个恒压源UB来代替。稳态工作时可将一个开关周期分为2个工作模式来分析，等效电路如图2所示，流过Dy的电流为iy，m点的电位为Um，主要工作波形如图3所示。
M[t0，t1]：校正输入电流ix比负载电流is小，此时输入线不能完全提供负载正常工作所需要的能量。所以电容CB将储存的能量通过电容Cin释放到负载，使负载能够得到恒定的能量，同时使Uc增大，m点电位Um降低。尤其当校正输入电压降低接近波谷时，负载需要的能量主要来自CB中储存的能量，此时在每个开关周期中CB给Cin充电使Uc较高，Um很低，从而使输入电流导通角增大，加上Lx使输入电流连续，从而实现功率因数校正。
M[t1，t3]：校正输入电流ix比负载电流is高，其电流之差在[t1，t2]阶段通过荷泵电容Cin、在[t2，t3]通过二极管Dy给电容CB充电。即输入线给负载提供所需要的能量，剩余的能量储存到电容CB上。
3 CIC-CPPFC电子镇流器的控制电路
当电路开环运行时，如果输入电网电压波动，会使灯端功率发生变化，尤其是当输入电网电压发生大范围变化时，必须采取适当的控制措施才能保持灯端功率稳定。图4为CIC-CPPFC电子镇流器的恒功率控制电路，Uc为反馈电压，Ure为基准电压，Rt、Gt和T实现对IR2153的变频控制。变频控制主要是通过改变晶体管T基极电压Vctr使IR2153输出频率发生改变，从而实现工作过程中的恒功率运行。晶体管基极电压Vctr与IR2153输出频率的对应关系如5所示。当输入电压增大时，反馈来的电压Uc增大，使控制电压Vctr增大，开关频率上升，负载电流降低，从而使灯端功率降低。反之开关频率下降，灯端功率上升。实验表明，当输入电网电压在180V~250V变化时，功率变化小于3％，功率变化曲线如图6所用。
这种控制电路不仅能实现恒功率运行，而且可以实现高压钠灯的变频软启动。当灯启动时功率比较小，所以灯负载消耗的能量很小，从电网输入的能量要高于负载消耗的能量，因此多余的能量就会存贮到CB中，导致母线电压比正常工作时要高，反馈来的电压Uc较高，使T的基极电压Vctr变高，因此开关频率较高，随着灯功率的稳步上升，开关频率逐步减小直到稳态频率。
4 电子镇流器保护电路的设计
当电路发生故障，如开路时，将会产生持续高压，导致器件损坏，危害较大，因此必须实施必要的保护措施。另外电网突然断电义上电时，灯处于热灯状态，启动电压非常高，正常设计的LCC参数不足以将灯点亮，因此也会产生类似灯开路的状态，同样会导致镇流器损坏，因此热灯启动也需要加适当的保护电路。由于这两种故障状态产生的现象基本相同，可以合并起来进行处理。当短路时，为确保电路安全及减少损耗，应进行适当的短路保护。图6为所设计的电子镇流器保护电路。检测电路主要包括开路及热灯启动检测电路和短路检测电路两部分。当电路发生故障时，检测电路发出故障信号控制芯片NE555，从而使NE555发出保护信号令IR2153停止工作经过给定时间的延时后，如果故障消除，电路重新正常工作，如果故障没有排除，则电路重新进入故障保护状态。
5 实验结果
选择50W高压钠灯，经实验，测得进线电压电流波形如图8所示，功率因数达到0.983，电流总谐波小于15％。实验结果证明输入电流连续型电荷泵功率因数校正(CIC-CPPFC)电子镇流器可以实现近似单位功率因数，使输入线电流正弦化并跟踪输入电压，可有效地降低谐波畸变。图9为灯电流波形，灯电流波峰系数稍大，1.75左右。
选择开关频率高于谐振频率，可以使半桥功率开关管Ql、Q2处于零电压软开关状态，开关管的驱动及电流波形如图10所示。灯端电压电流波形如图11所示。
6 结语   
本文对CIC-CPPFC电子镇流器的工作原理、控制电路及保护电路进行了研究和分析，并在此基础上设计出一台适合50W高压钠灯用电子镇流器。实验表明该电子镇流器具有良好的恒功率控制、变频软启动、软开关和完善的故障保护功能，功率因数大于0.98，THD值小于15％。

参考文献
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[4] Jinrong Qian；Lee，F. C. Charge pump power-factor-correction technologies partⅡ：ballast application．IEEE transactions on power electronics，2000，15(1)：130-139．

作者简介
王卫，哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院教授，哈尔滨工程大学博士后。研究方向为电力电子技术、软开关谐振变换技术的理论与应用、照明电子技术等。