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。