太阳能高压钠灯高频电子镇流器的研究
马志保，孙佩石，苏建徽，张国荣
(合肥工业大学能源研究所，安徽 合肥 230009）
摘要：介绍了一种低电压供电且以MC68HC908QT2廉价单片机控制和可变频率驱动技术为核心的太阳能高压钠灯电子镇流器。该电子镇流器有电流电压控制环，在双环控制下使其输出恒功率，从而使高压钠灯可靠稳定地工作。
关键词：太阳能；电子镇流器；高压钠灯；声共振；可变频率
　
0 引言
当前国家电力的大额缺口，整个世界范围能源的紧张，以及自然环境的不断恶化，使我们不得不更多地从高效、有效节能、绿色环保等多方面考虑电气产品的设计，同样，在寻找可靠的辅助能源的同时，更要注意其“绿色”的意义。本太阳能高压钠灯电子镇流器正是以此为出发点。高压放电（HID——High Indensity Discharge)灯通常指汞灯(Mercury Vapor)、高压钠灯(High Pressure Sodium Lamp)、金属卤化物灯(Metal Halide)等。它们的发光效率远比白炽灯高，按光电转换率上限的值排序，白炽灯、汞灯、金属卤化物灯、高压钠灯分别为25lm/W、60lm/W、120lm/W、140lm/W。汞灯因其光色中的兰光较重，已逐渐被光色质量好，发光效率更高的高压钠灯和金属卤化物灯取代，因此，HID灯亦即高压钠灯和金属卤化物灯的泛称。高压钠灯是继白炽灯、高压汞灯之后的第三代代表性节能新光源[2]，可广泛用于道路、码头、铁路、机场、矿山、厂房、车库、广场、体育馆等大面积室外的照明。
然而，传统的电感式高压钠灯镇流器存在许多缺陷：
1）体积大、笨重、消耗大量铜材和硅钢片；
2）功率因数偏低、电能利用率低；
3）存在工频闪烁,发光效率低，灯光通量随电网电压波动而变化。
现今，电子式的高压钠灯高频镇流器通常由市电供电，电路设计的结构一般是EMI滤波→整流→APFC→逆变→启动→灯，虽然，它具有体积小、节能、高光效、无频闪、长寿命的卓越性能，而越来越受到人们青睐，但是，却要消耗电网的电能，增加电网的负荷。而采用太阳能独立供电的高压钠灯电子镇流器的的结构，却是太阳电池(蓄电池)→逆变→升压→启动→灯，电子镇流器体积将进一步减小，成本也会降低，将给其锦上添花，达到真正意义上的“绿色设计”，其白天将太阳能储存在蓄电池中，晚上可以定时工作，施工安装方便，基本无须维护。
1 太阳能高压钠灯电子镇流器的特点和技术要求
由于高压钠灯的结构及其原理与荧光灯并不完全相同，用普通荧光灯交流电子镇流器即使去点燃同样的功率的高压钠灯也不适合，所以，高压钠灯对镇流器的要求是很高的，要制作高品质的高压钠灯电子镇流器还是比较困难的。众所周知，高压钠灯是在高频电流下点燃的气体放电灯，会产生放电管声共振现象，这是由灯管内压力波的脉动从管内壁反射回来，若与灯高频电流的脉动成分相位相同，形成驻波，即产生声共振[2]，其表现为：
1）电弧管体内有音频噪声；
2）电弧管内电弧发生闪烁、扭曲、翻滚等现象，同时灯电压不稳定，严重时将会发生熄弧或使灯损坏。
因高压钠灯的电弧管细长呈圆柱形，电弧易稳定，试验表明在8～150kHz率之外基本上可以避免声共振和电弧的不稳定现象。低频方波点灯将会降低灯的光效，频率太高会有射(高)频干扰，并且对灯的引线长度有限制（限制在2m内），所以，可以在适当的高频下，采用可变频率技术，来消除声共振。
根据对高强度气体放电灯高频变换器技术的研究，结合高压钠灯的工作特性，归纳高压钠灯电子镇流器的主要技术要求如下：
1）能提供3～5kV电压（比荧光灯高3～5倍），且脉冲宽度≤2μs，具有足够能量的高频高压来触发启动，完成汤姆逊放电（离子放电）→过渡放电→辉光放电→弧光放电的启动过程；
2）具有较强的非线性负载适应性，特别是触发启动瞬间，高压钠灯电子镇流器相当于输出短路状态，具备恒功率或恒电流控制能力，保证电弧管体内放电电弧稳定，避免光通量闪烁；
3）能消除声共振，避免放电电弧出现不稳定的现象，而使灯光抖动或烧毁；
4）高频逆变电路具有较强的抗电磁干扰能力，其功率因数高、功率高、可靠性高、成本低、可实现短路、开路、过压、过流、过热的保护，能在户外长期工作，且使用寿命长[1]。
2 太阳能高压钠灯电子镇流器的设计原理及控制方法
市电供电的高压钠灯电子镇流器本质上是AC/DC/AC高频变换器，而太阳能独立供电的高压钠灯电子镇流器是蓄电池供电，电路结构简洁，本质上是DC/AC高频变换器，其电路框图如图1所示。白天将太阳能储存在蓄电池中，晚上可以通过检测电池板电压来定时启动。将蓄电池中低压直流电压通过逆变电路变成高频电压，再通过高频升压变压器后供给高压钠灯。电压检测为检测电池板的电压，电流检测是为构成电流环。启动电路是为高压钠灯提供3～5kV、脉冲宽度≤2μs的瞬间高压来触发高压钠灯。由于气体放电灯具有负阻特性，而在高压钠灯电子镇流器电路控制下变为正阻特性，高