如何實現(xiàn)電子鎮(zhèn)流器在熒光燈電路中的應用設計？

近年來，高頻熒光燈電子鎮(zhèn)流器以其高效、體積小、重量輕、無頻閃、燈壽命長等優(yōu)點而逐漸為人們所接受。

我國對電子鎮(zhèn)流器的研究和發(fā)展是在上世紀80年代末到90年代初。在初期，很多廠家為了節(jié)約成本，選用的拓撲結構較簡單，性能指標往往無法達到國家標準，而且極易損壞，這無疑給電子鎮(zhèn)流器的普及造成了更多障礙。目前,一些人直接套用國外先進的電路拓撲，致使設計方法紛繁復雜，甚至有些根本不適于在220V/50Hz電網(wǎng)下工作。隨著節(jié)能問題越來越受到關注，高性能的熒光燈電子鎮(zhèn)流器需要增加調(diào)光功能，在不必要滿功率輸出的場合，降低輸出功率，不僅節(jié)能，延長燈的使用壽命，而且還能起到變換視覺效果的目的。因此,研究出高性能、更貼近燈特性、且功能齊全的電子鎮(zhèn)流器迫在眉睫。

電子鎮(zhèn)流器完成的是將工頻交流電源轉(zhuǎn)換成高頻交流電源的變換器，首先，工頻電源經(jīng)過射頻干擾濾波器、全波整流器、無源/有源功率因數(shù)校正器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娫?，其次，?jīng)過直流/交流變換器轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l交流電源。將轉(zhuǎn)換過后的高頻交流電源加到LC串聯(lián)諧振電路上對燈絲進行加熱，在電容器上產(chǎn)生諧振高壓使得燈管經(jīng)導通狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)光狀態(tài)，以提供燈管正常工作所需的電壓和電流。還可在其基礎上添加異常保護、電流保護、溫度保護等保護電路以完成各種所需功能。

2 設計要點

2.1 概述

調(diào)光功能實際上是指具有調(diào)節(jié)燈上的輸出功率的功能。當照明裝置并不需要滿功率輸出時，研究表明，應用調(diào)光系統(tǒng)可節(jié)能50%。

在傳統(tǒng)的無調(diào)光系統(tǒng)鎮(zhèn)流器設計中，由于燈在高頻下且穩(wěn)定工作時，輸出功率也恒定，可以近似認為燈是定常電阻。當電網(wǎng)電壓波動，或由于其它原因使燈電流、燈電壓發(fā)生變化，即燈電壓、燈電流RMS值及燈功率發(fā)生改變時，只要通過閉環(huán)控制就可以使燈穩(wěn)定地工作在額定點附近，燈電阻就不會發(fā)生很大的變化。然而，在調(diào)光工作模式下設計變得復雜了，如果仍然把燈等效成純阻性負載，會產(chǎn)生相當大的偏差，因為在不同的調(diào)光等級，熒光燈所表現(xiàn)出的負阻特性是不同的。因此設計調(diào)光式電子鎮(zhèn)流器不能用簡單的電阻負載來等效燈。

近年來，由于采用計算機輔助設計使電力電子裝置設計過程大大簡化，并且可以得到更多的電路工作信息。常用的仿真軟件有PSPICE、MATLAB等等，而在電力電子裝置的設計中以使用PSPICE居多。因此，建立熒光燈的PSPICE模型成為迫切需要解決的問題。

2.2 熒光燈的建模

熒光燈的建模主要有兩種方法，一種是物理建模，它是基于燈的物理放電現(xiàn)象，然而這種建模方法都要涉及較復雜的方程式和很多變量，不適合電路仿真;另一種是采用曲線擬和的方法，它是利用燈的V-I特性曲線建模，根據(jù)實驗結果用含有待定系數(shù)的曲線方程去近似，其中，有的用立方曲線方程，還有用指數(shù)曲線方程、拋物線曲線方程、甚至用線性方程去擬和。

PSPICE模型可以是靜態(tài)模型也可以是動態(tài)模型。靜態(tài)模型需計算出在不同工作點時燈所表現(xiàn)的阻抗值,再進行分布仿真，通常這類模型建立起來比較簡單，但應用十分不便。動態(tài)模型需要在工作點變化時，把此時燈所呈現(xiàn)出來的阻抗值直接反映出來，包括它的啟動過程，這樣的模型通常稱之為調(diào)光模型，這種模型非常適用于調(diào)光式電子鎮(zhèn)流器的設計。圖1是一個熒光燈PSPICE動態(tài)模型[1]。它是基于指數(shù)曲線擬和而成的，此模型是針對32W-T8燈建立的。

2.3 調(diào)光方式

調(diào)光是指調(diào)節(jié)傳遞到燈上的能量,從而改變燈功率。一個調(diào)光控制系統(tǒng)中一般通過控制四個參量達到調(diào)光目的，即

1)調(diào)頻

2)調(diào)節(jié)占空比

3)調(diào)節(jié)直流母線電壓

4)調(diào)節(jié)諧振阻抗值[2]。

頻率控制指的是改變開關頻率fs，使工作頻率遠離諧振網(wǎng)絡的自然諧振頻率而減少燈功率，此時保持占空比D恒定不變。占空比調(diào)制是指在fs恒定的情況下，改變開關的導通時間，導通時間的減少使傳遞到燈上的能量減少從而使燈上的功率減少。占空比調(diào)制范圍是從0變化到0.5，因此，限制了調(diào)光范圍。調(diào)節(jié)直流母線電壓指的是改變直流母線電壓的幅值，同時保持fs和D不變，這種控制方式只能用于雙級拓撲結構中。阻抗控制是指改變諧振網(wǎng)絡的Ls、Cr的參數(shù)值，這種控制方式實現(xiàn)起來較復雜。其中，采用調(diào)頻方式的電路結構較簡單，且容易控制，因此，實際應用最多。但它卻有著在整個調(diào)光范圍內(nèi)，不易實現(xiàn)軟開關;在輕載時，器件應力很大;且硬開通和硬關斷使電磁騷擾問題嚴重等缺點。為了擴大調(diào)光范圍，則需擴大頻率變化范圍，而頻率范圍又受電磁元件、門極驅(qū)動電路所限制，燈電流近似與逆變器頻率成反比，因此設計電感等電磁元件時要考慮這方面的影響。

1.1采用逐流電路的熒光燈電子鎮(zhèn)流器電路

1.采用逐流電路的30W熒光燈電子鎮(zhèn)流器電路

該電路如圖1所示，電子鎮(zhèn)流器主振蕩級選用雙向觸發(fā)二極管組成的半橋逆變自激振蕩電路。為提高電路的功率因數(shù)，采用了逐流濾波無源功率因數(shù)校正電路，該無源功率因數(shù)校正電路由二極管VD5、VD6、VD7及電容C1、C2等元器件組成。這里，利用逐流濾波無源功率因數(shù)校正電路可以使電子鎮(zhèn)流器的功率因數(shù)由0.6提高到0.95。

圖1 采用逐流電路的30W熒光燈電子鎮(zhèn)流器電路

電容器C3起濾除電磁諧波干擾的作用，使輸入電源的總諧波失真減至最小。電容器C7同樣具有濾除諧波干擾的功能，對加至熒光燈負載的射頻干擾有很好的衰減作用。

在雙向觸發(fā)二極管DB3回路中串聯(lián)低值電阻R3，可有效地降低觸發(fā)電路的浪涌脈沖電流對DB3的沖擊，起到了過電流、過電壓限幅的作用。所以，鋸齒波發(fā)生器的啟動電容器C4的容量才可以加大，以延長熒光燈燈管的預熱啟輝時間。

串聯(lián)諧振電容器為兩個同容量、同耐壓值的電容器C8、C9的串聯(lián)。這樣相應地提高了串聯(lián)諧振電容器的總耐壓值，以確保串聯(lián)諧振電容器可靠工作。該電路的主要電氣參數(shù)如表1所示，電路元件表如表2所示。

2.采用逐流電路的20W熒光燈電子鎮(zhèn)流器電路

該電子鎮(zhèn)流器電路如圖2所示。高頻電感L1為射頻干擾抑制電感，與高頻濾波電容器C9相配合，能有效地濾除半橋功率逆變電路中產(chǎn)生的高次諧波脈沖干擾電流對電網(wǎng)的污染，降低了電子鎮(zhèn)流器使用時對其他家用電器的射頻干擾。

圖2 采用逐流電路的20W熒光燈電子鎮(zhèn)流器電路

整流二極管VD5、VD6、VD7與電解電容器C1、C2構成無源逐流濾波電路，改善了普通橋式整流、單電容濾波電路使交流輸入市電電流波形嚴重畸變的弊端。無源逐流濾波電路與L1、C9相配合，可以使電子鎮(zhèn)流器的功率因數(shù)提高到0.95。

圖2中的VT3、VT4構成該電子鎮(zhèn)流器的過電壓、過電流故障保護電路。當電子鎮(zhèn)流器電路的主振電路正常工作時，并聯(lián)在直流回路里的電阻R10、R11 起分壓作用，在電阻R11上分出的電壓給鉗位二極管VD11提供一個反偏電壓，使二極管VD11截止。由于在電子鎮(zhèn)流器電路正常工作時電阻R9上的電壓降較低，不足以使雙向觸發(fā)二極管VD14 觸發(fā)導通，所以晶體管VT4的基極無正向偏置電壓而截止。同時，晶體管VT3的基極也由于得不到足夠的正向偏置電壓而截止，不影響振蕩電路的正常工作。當電子鎮(zhèn)流器電路出現(xiàn)過電壓或過電流故障時，f點的振蕩輸出電壓升高，j點的電壓也相應上升。當j點電壓高于i點電壓時，二極管VD12由于受正向偏置電壓的作用而導通，i點的直流電壓迅速升高。當i點的直流電壓達到或超過雙向觸發(fā)二極管VD14的閾值電壓時，VD14導通，晶體管VT4的基極由于得到較高的正向偏置電壓而飽和導通。晶體管VT4飽和導通后，相當于短路了振蕩線圈T的N3繞組，功率開關振蕩晶體管VT2迅速截止，振蕩電路停止振蕩，致使半橋功率變換電路無輸出。與此同時，i點的一部分直流電壓加于晶體管VT3的基極，使晶體管VT3的基極電位迅速升高而飽和導通，雙向觸發(fā)二極管VD13對地短路，從而關閉觸發(fā)電路。這時電容C3上不再有鋸齒波電壓輸出，整個振蕩電路迅速關閉，使電子鎮(zhèn)流器電路的元器件不致由于過電壓或過電流而損壞。主電路為VT1、VT2和VD13構成的二極管觸發(fā)式半橋逆變電路。

1.2 采用熱敏電阻預熱的電子鎮(zhèn)流器電路

為了提高熒光燈的光效并延長燈管的使用壽命，目前的熒光燈絕大多數(shù)采用陰極預熱啟動工作方式。人們在電子鎮(zhèn)流器電路方面做了大量深入的研究工作，如電子鎮(zhèn)流器電路拓撲、陰極預熱方式的選擇等，以期充分發(fā)揮熒光燈的發(fā)光效率，提高工作性能。 熒光燈的陰極是一個很重要的部件，熒光燈使用壽命的長短主要取決于陰極的壽命。陰極上涂有以碳酸鋇、碳酸鍶和碳酸鈣為主的電子發(fā)射材料，這些材料只有當陰極工作溫度為900～1000℃時才能充分發(fā)射電子。另一方面，陰極通過預熱發(fā)射出大量電子，使燈管的啟動電壓降低，通常可以降低到陰極未預熱啟動電壓的1/2～1/3。啟動電壓的降低減小了相關電子元器件所承受的電應力，從而降低了熒光燈的故障率，延長了燈管的使用壽命。IEC和我國國家標準明確規(guī)定熒光燈在點亮前必須經(jīng)過陰極預熱，并對各種型號、規(guī)格的熒光燈的預熱時間和預熱電流提出了具體要求。在電子鎮(zhèn)流器發(fā)展過程中，陰極預熱一直是研究的重點之一。

1.PTC元件在電子鎮(zhèn)流器中的應用

PTC(Positive Temperature Coefficient)為正溫度系數(shù)的意思，習慣上泛指正溫度系數(shù)熱敏半導體材料或元器件等。隨著電子鎮(zhèn)流器在我國的推廣、使用，PTC元件在電子鎮(zhèn)流器中的應用也逐步得到了重視。

電阻-溫度特性是PTC元件最基本的特性，常簡稱為阻溫特性。阻溫特性是指在規(guī)定電壓下熱敏電阻的零功率電阻與溫度之間的關系。阻溫特性曲線通常繪制在對數(shù)坐標中，線性橫坐標表示溫度，對數(shù)縱坐標表示電阻值。一般PTC元件的阻溫特性如圖3所示。

T=Tmax.Tmin是與PTC元件材料相關的參數(shù)。T越小表示溫度變化范圍越窄，電阻隨溫度變化越快，PTC特性也就越好。阻溫特性是PTC元件最基本的特性，一般情況下PTC元件的特性參數(shù)可以從阻溫特性曲線上求得，而PTC元件特性的好壞也可以十分直觀地從阻溫特性曲線上看出。阻溫特性好即指溫度系數(shù)大和升阻比高，而升阻比高時耐壓特性好。=h在圖3中，Rmin為最小零功率電阻，對應溫度為Tmin。Rmax為最大零功率電阻，對應溫度為Tmax。最大零功率電阻與最小零功率電阻的比值(maxminRR)稱為升阻比，它是PTC元件的重要參數(shù)。

在圖3中，V1>V2，表明在電壓V1作用下PTC元件的升阻比、溫度系數(shù)等均優(yōu)于V2。因此，在實際應用中必須注意加到PTC元件上的電壓大小，盡可能使其電壓低些。