電子鎮(zhèn)流器的主要電路型式

1、 常用的鎮(zhèn)流方法

(1) 電阻鎮(zhèn)流

電阻鎮(zhèn)流器工作原理如圖1所示。電阻鎮(zhèn)流的工作效率低，要確保電阻鎮(zhèn)流電路正常工作，應(yīng)使電源供電電壓不低于2倍的燈工作電壓。實(shí)用中應(yīng)用不多。

(2) 電容鎮(zhèn)流

電容鎮(zhèn)流只有在很高的供電頻率下才能很好地工作，如果交流供電頻率太低，則會(huì)在交流供電的每半個(gè)供電周期內(nèi)產(chǎn)生很大的峰值電流，具有鎮(zhèn)流工作效率高的優(yōu)點(diǎn)。電容鎮(zhèn)流器工作原理如圖2所示。

(3) 電感鎮(zhèn)流

電感鎮(zhèn)流是一種得到廣泛應(yīng)用的鎮(zhèn)流方法，但它的損耗比電容鎮(zhèn)流要大，但是燈電流在50Hz交流供電頻率下的失真較電容鎮(zhèn)流要小得多，使用時(shí)需配用啟動(dòng)器。電感鎮(zhèn)流器工作原理如圖3所示。

電感鎮(zhèn)流幾乎可以應(yīng)用于所有的氣體放電燈應(yīng)用場合。電感鎮(zhèn)流具有以下特點(diǎn)：

① 相對電阻鎮(zhèn)流損耗低。

② 電路簡單。

但是也有以下的缺點(diǎn)：

① 由于電路中有一個(gè)電感，所以燈電壓、燈電流之間有一個(gè)相位差，從而造成電路的功率因數(shù)較低(一般在0.5左右)。

② 燈的啟動(dòng)點(diǎn)火電流較大，一般是燈額定工作電流的1.5倍。

③ 燈工作電流對電源供電電壓的變化較敏感，故鎮(zhèn)流效果不太穩(wěn)定。

④ 電感鎮(zhèn)流器的體積和質(zhì)量較大。

(4) 電容、電感鎮(zhèn)流

電容、電感鎮(zhèn)流電路工作原理如圖4所示。在電容、電感鎮(zhèn)流電路中，要求電容的容抗要比電感的阻抗要大，這種鎮(zhèn)流電路和電感鎮(zhèn)流電路時(shí)的工作情況不同，這時(shí)燈的工作電壓(電流)超前電源電壓一定的相位，所以又被稱為超前型鎮(zhèn)流電路。

電容、電感鎮(zhèn)流電路有較好的穩(wěn)定特性，但是重復(fù)點(diǎn)火能力較差。這是為何當(dāng)燈的電流過零時(shí)，電源電壓的峰值和燈電壓的方向正好相反的原因。

(5) 高頻交流電子鎮(zhèn)流器

在以上4種鎮(zhèn)流方法中，目前電感鎮(zhèn)流式電子鎮(zhèn)流器得到了廣泛的應(yīng)用。但是采用高頻交流電子鎮(zhèn)流器可以提高燈管的發(fā)光效率，沒有電感鎮(zhèn)流器特有的 50Hz工頻噪聲，減小了鎮(zhèn)流器的體積和質(zhì)量。高頻交流電子鎮(zhèn)流器和普通電感鎮(zhèn)流器在使用時(shí)可以互換，易于實(shí)現(xiàn)智能控制(如DALI)，在工廠、辦公樓、家庭等應(yīng)用場合，高頻交流電子鎮(zhèn)流器有很大的市場。

一個(gè)性能優(yōu)良的高頻交流電子鎮(zhèn)流器電路的工作原理框圖如圖5所示。

從電子鎮(zhèn)流器的噪聲角度而言，電子鎮(zhèn)流器的工作頻率應(yīng)大于20kHz，但是從降低鎮(zhèn)流電感磁芯的高頻損耗的角度而言，電子鎮(zhèn)流器的工作頻率又不能選得太高，一般不應(yīng)大于100kHz，并且這個(gè)工作頻率的大小還和具體的燈管型號(hào)有關(guān)，同時(shí)還應(yīng)考慮到電子鎮(zhèn)流器在高頻工作時(shí)產(chǎn)生的高頻干擾信號(hào)對工作于紅外工作頻段的家用電器等的影響。例如對工作于RC5系統(tǒng)的紅外遙控電路它工作于36kHz，所以電子鎮(zhèn)流器的工作頻率不應(yīng)工作在18kHz或36kHz，現(xiàn)在30~40kHz這個(gè)頻率范圍已基本被紅外遙控系統(tǒng)使用，所以在設(shè)計(jì)電子鎮(zhèn)流器時(shí)，不應(yīng)選擇這個(gè)工作頻率范圍。

2、 電子鎮(zhèn)流器的分類

(1) 根據(jù)電子鎮(zhèn)流器的供電方式分類

按電子鎮(zhèn)流器的供電方式劃分，電子鎮(zhèn)流器可以分為直流供電的電子鎮(zhèn)流器和交流供電的電子鎮(zhèn)流器兩大類：

① 直流供電的電子鎮(zhèn)流器。直流供電的電子鎮(zhèn)流器常用于以下的應(yīng)用場合。

·應(yīng)急照明系統(tǒng)，例如交流供電驟然斷電時(shí)，利用蓄電池供電的照明，工作原理框圖分別如圖6(a)~(e)所示。

·公共交通工具，例如汽車、輪船和飛機(jī)等應(yīng)用場合。

·小型家電，例如手電筒等。

·一般直流供電電壓為12V、24V、72V和110V或更高等應(yīng)用場合。

② 交流供電的電子鎮(zhèn)流器。交流供電的電子鎮(zhèn)流器直接采用交流市電供電，和直流供電的電子鎮(zhèn)流器相比多了一個(gè)交流市電輸入整流電路，并且電子鎮(zhèn)流器的DC/AC變換電路的直流供電電壓為300V左右，而電子鎮(zhèn)流器的直流供電電壓根據(jù)需要選擇的范圍較寬。

(2) 根據(jù)電子鎮(zhèn)流器的應(yīng)用分類：

根據(jù)電子鎮(zhèn)流器的應(yīng)用，可以分為以下幾類：

① 單燈、雙燈或4燈應(yīng)用的電子鎮(zhèn)流器。電子鎮(zhèn)流器的雙燈應(yīng)用電路工作原理框如圖7所示。

② 獨(dú)立式電子鎮(zhèn)流器或和燈結(jié)合為一體的電子鎮(zhèn)流器(CFL)。

③ 預(yù)熱啟動(dòng)或冷啟動(dòng)工作方式的電子鎮(zhèn)流器。

④ 具有有源功率因數(shù)校正(補(bǔ)償)功能的雙級(jí)/單級(jí)變換電子鎮(zhèn)流器。

⑤ 采用無源功率因數(shù)校正(補(bǔ)償)的電子鎮(zhèn)流器。

⑥ 電子鎮(zhèn)流器按其是否可以調(diào)光又可分為可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器和非可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器兩大類。

一些常見的電子鎮(zhèn)流器和控制器產(chǎn)品如圖8~圖13所示。

3、 電子鎮(zhèn)流器的基本電路

從工作原理而言，電子鎮(zhèn)流器是一個(gè)電源變換電路，它將交流輸入市電電源的波形、頻率和幅度等參數(shù)進(jìn)行變換，為燈負(fù)載提供供電電源，并且要求這個(gè)燈負(fù)載供電電源電路應(yīng)能滿足燈負(fù)載對燈絲預(yù)熱、點(diǎn)火、正常工作和在燈負(fù)載電路有故障狀態(tài)的保護(hù)功能要求。常用的電子鎮(zhèn)流器直流/交流變換電路(DC/AC)如圖14所示。

4、 電子鎮(zhèn)流器的工作原理與發(fā)展

電子鎮(zhèn)流器的典型技術(shù)指標(biāo)有：功率因數(shù)、總諧波失真(THD)、波峰因數(shù)(CF)、燈管的燈絲預(yù)熱(如燈絲預(yù)熱時(shí)間、燈管預(yù)熱電壓)、燈管開路電壓、燈管點(diǎn)火電壓、燈管工作電壓等參數(shù)。

20世紀(jì)80年代后期，我國研制和生產(chǎn)電子鎮(zhèn)流器的單位日益增多，為改變許多生產(chǎn)單位無標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的混亂局面，提高電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)品的質(zhì)量，當(dāng)時(shí)的輕工業(yè)部于1989年8月9日發(fā)布了ZBK74011(管形熒光燈用交流電子鎮(zhèn)流器的一般要求和安全要求)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并于1990年2月1日開始實(shí)施。 1990年3月，又發(fā)布了ZBK74012(管形熒光燈用交流電子鎮(zhèn)流器的性能要求)，于1990年10月1日開始實(shí)施，但是考慮到當(dāng)時(shí)生產(chǎn)的電子鎮(zhèn)流器諧波含量都嚴(yán)重超標(biāo)，因此，ZBK74012-9標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于諧波含量的規(guī)定要求，推遲到1993年開始執(zhí)行，以便使企業(yè)在推遲期內(nèi)高設(shè)法將產(chǎn)品的諧波含量技術(shù)參數(shù)達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)要求。

ZBK74011和ZBK74012這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)雖然是參照IEC928和IEC929標(biāo)準(zhǔn)制定的，但是考慮到我國電子鎮(zhèn)流器的實(shí)際水平，對一些條款作了一定的保留。為了確保電子鎮(zhèn)流器的生產(chǎn)技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量，國家技術(shù)監(jiān)督局在1994年7月發(fā)布了GB15143-94(管形熒光燈用交流電子鎮(zhèn)流器一般要求和安全要求)及GB/T15044-11(管形熒光燈用交流電子鎮(zhèn)流器性能要求)兩項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)，這兩項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)分別等同采用 IEC928(1990)和等效采用IEC929(1990)，其中前者為強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，后者為推薦標(biāo)準(zhǔn)，均于1995年1月1日開始實(shí)施。

(1) 電子鎮(zhèn)流器的典型應(yīng)用電路與工作原理

電子鎮(zhèn)流器的典型應(yīng)用電路如圖15所示。

圖15所示電路的工作原理如下：功率開關(guān)晶體管VT1和VT2為半橋功率變換級(jí)的兩只開關(guān)管，電容C3和C4組成無源支路，燈負(fù)載接在無源支路的中點(diǎn)和半橋開關(guān)組成的有源支路的中點(diǎn)之間，燈負(fù)載電流由C3、C4提供，電阻R1、電容C2和雙向觸發(fā)二極管VD2組成半橋自激振蕩電路的啟動(dòng)電路。

由于電路工作于高頻振蕩工作狀態(tài)，所以鎮(zhèn)流電感L1的值可以取得很小，例如對40W的熒光燈如果采用電感鎮(zhèn)流則需要大約800mH的電感量的鎮(zhèn)流電感，體積和質(zhì)量都較大，而對高頻振蕩的電子鎮(zhèn)流電路，同樣對40W的熒光燈電子鎮(zhèn)流器中的鎮(zhèn)流電感L1的電感量僅需2mH，所以體積和質(zhì)量都要小很多。

圖16(a)和(b)分別表示VT1導(dǎo)通、VT2截止和VT1截止、VT2導(dǎo)通時(shí)的燈電流流向圖，RL表示熒光燈工作時(shí)的等效電阻。由圖16可知，在VT1導(dǎo)通、VT2截止和VT1截止、VT2導(dǎo)通兩種天關(guān)工作狀態(tài)下，通過燈負(fù)載的電流方向是相反的，開關(guān)管VT1和VT2輪流導(dǎo)通、截止，使通過熒光燈管的電流為高頻交流電。

在LC電路諧振時(shí)的諧振頻率可利用下式計(jì)算：

(1)

式中，L為鎮(zhèn)流電感的電感值，單位為享[利](H);C為電容C2的值，單位為法[拉](F);f諧振為諧振頻率，單位為Hz。

對圖15所示的電路，由于L1》LT1a，C2《C3=C4，所以燈電路的諧振頻率主要由L1和C2的參數(shù)決定。

如果在LC串聯(lián)電路中的等效直流電阻為R，則燈電路的總阻抗Z可利用下式有示：

(2) 當(dāng)燈電路發(fā)生諧振時(shí)，ZL1=ZC2，有Z=R，這時(shí)燈電路的工作電流最大，為

。而諧振電路的Q值(品質(zhì)因數(shù))可利用下式計(jì)算： =

(3) 由于R《2πfL1(或

)，所以燈負(fù)載諧振電路的Q》1。將

代入Q的表達(dá)式后，有

(4) 這時(shí)由于

，在燈負(fù)載并聯(lián)的諧振電容C2上產(chǎn)生的電壓為

由以上的討論可知，在燈電路發(fā)生諧振時(shí)，在諧振電感或諧振電容上的電壓要比電源電壓Vin高Q倍，利用在諧振電容C2上的這個(gè)諧振電壓足以使燈負(fù)載完成點(diǎn)火工作。一旦燈完成點(diǎn)火工作后，燈負(fù)載的等效電阻急劇變小，致使諧振電容上的電壓下降(Q值下降)，轉(zhuǎn)而進(jìn)入燈負(fù)載的正常工作狀態(tài)。

LC諧振電路的諧振阻抗特性如圖17所示，由圖17可以看出，在諧振頻率f0處，L/R值越大，則諧振電路的Q值越高，燈電路的電流也就越大，反之，L/R值越小，則燈電路的電流越小。在熒光燈電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)中，應(yīng)適當(dāng)選取L和C的數(shù)值，使電路的Q值在3左右。

(2) 變異的電壓型半橋變換電子鎮(zhèn)流器電路

圖18表示一種變異的電壓型半橋結(jié)構(gòu)的電子鎮(zhèn)流器功率級(jí)輸出電路，和圖15所示的典型電壓型半橋功率輸出電路相比較，這種變異的電壓型半橋結(jié)構(gòu)比典型的電壓型半橋結(jié)構(gòu)少了一個(gè)電容，由于燈負(fù)載的啟動(dòng)電容C4通過燈絲FL1和電容C3串聯(lián)在一起，所以LC諧振回路的諧振頻率由下式?jīng)Q定：

(5)

對這種電路，由于某種原因(如燈漏氣)燈負(fù)載不能正常啟動(dòng)，或由于啟動(dòng)緩慢以致不能啟動(dòng)，電路將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)很大的電應(yīng)力，將開關(guān)管VT1或VT2損壞(或電路其他元件損壞)。

(3) 全橋式串聯(lián)諧振功率變換電路

由于全橋式功率變換電路在開關(guān)管電流相同的情況下，輸出功率要比半橋式變換電路的功率要大，較適合于高強(qiáng)度氣體放電燈的應(yīng)用場合，電路工作原理框圖如圖19所示。

橋功率變換電路中需要4只功率晶體管，對燈工作電壓較高和功率較大的一些電子鎮(zhèn)流器電路，采用全橋功率變換電路比較合適。圖20是一種80W雙管T12熒光燈采用全橋功率變換電子鎮(zhèn)流器的電路原理圖。

(4) 常用高頻交流電子鎮(zhèn)流器電路與改進(jìn)

① 單級(jí)半橋諧振式高頻交流電子鎮(zhèn)流器。由于半橋諧振式逆變電路具有自平衡能力強(qiáng)、工作可靠，對開關(guān)管耐壓要求較低等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以采用半橋諧振式逆變電路為燈負(fù)載供電的功率變換電路得到廣泛應(yīng)用。它主要由：交流市電供電整流、濾波電路;啟動(dòng)電路;串聯(lián)諧振高頻逆變電路;保護(hù)電路;燈負(fù)載等幾部分電路組成。典型單級(jí)半橋諧振式高頻交流電子鎮(zhèn)流器電路原理如圖21所示。

這是一個(gè)典型的自激振蕩、自啟動(dòng)的LC串聯(lián)諧振半橋逆變的高頻交流電子鎮(zhèn)流器電路，諧振主要由L、C3、C4完成，利用諧振時(shí)C4上的高頻電壓點(diǎn)亮燈負(fù)載，當(dāng)燈負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)，會(huì)影響諧振回路的Q值，從而影響諧振電容C4上的諧振電壓，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燈負(fù)載電流的作用。

由于這種電路采用元件少、造價(jià)低，所以目前國內(nèi)市場上見到的高頻交流電子鎮(zhèn)流器大多采用類似的這種電路。但這種電路存在以下缺點(diǎn)：

·無燈絲預(yù)熱功能，易產(chǎn)生燈絲電極濺射作用，而降低燈絲的使用壽命，使用時(shí)間一長，造成燈管一端發(fā)黑的現(xiàn)象。

·由于采用市電整流后直接給半橋逆變級(jí)供電，所以會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的高次諧波電流干擾，降低交流市電輸入側(cè)的功率因數(shù)，并降低電源供電效率。當(dāng)采用這種電路的高頻交流電子鎮(zhèn)流器大量使用時(shí)，會(huì)造成三相四線供電電網(wǎng)的地電位偏移，而使用電設(shè)備損壞。

·由于半橋逆變級(jí)工作在高頻開關(guān)逆變狀態(tài)，所以產(chǎn)生的高次諧波，會(huì)造成相應(yīng)的電磁輻射干擾，影響其他用電設(shè)備的正常工作。

·由于沒有設(shè)保護(hù)電路，所以一旦市電電源供電發(fā)生故障(如電網(wǎng)電壓過高)或燈管發(fā)生破裂等故障時(shí)，易造成電路元件損壞，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生火災(zāi)事故。

② 雙級(jí)變換諧振式高頻交流電子鎮(zhèn)流器。針對單級(jí)半橋諧振式高頻交流電子鎮(zhèn)流器電路存在的以上缺陷，人們又開發(fā)設(shè)計(jì)出了雙級(jí)諧振式高頻交流電子鎮(zhèn)流器電路。它主要在普通的單級(jí)諧振高頻交流電子鎮(zhèn)流器的基礎(chǔ)上，再加了一級(jí)有源功率因數(shù)校正(APFC)電路，用以進(jìn)行交流市電輸入整流濾波的功率因數(shù)校正，并限制高次諧波成分，從而達(dá)到減小電磁輻射干擾，提高輸入側(cè)功率因數(shù)(PF)的目的。并且由于有源功率因數(shù)校正(APFC)還有預(yù)穩(wěn)壓的作用，同時(shí)還可以調(diào)光(調(diào)節(jié)APFC輸出電壓)，所以既可提高電子鎮(zhèn)流器的電性能，又可以提高電子鎮(zhèn)流器的工作可靠性。

有源功率因數(shù)校正按電路構(gòu)成，可分為降壓式、升/降壓式、反激式及升壓式等幾種。而按制市電輸入電流的工作原理又可分為平均電流型、滯后電流型、峰值電流型及電壓控制型等幾種。按功率因數(shù)校正電路中電感電流的工作方式又可分為電流連續(xù)型(CCM)和電流不連續(xù)型(DCM)等。

由于升壓式有源功率因數(shù)校正電路具有PF值高、THD小、效率高，但需輸出電壓高于輸入電壓，適用于75W~2kW的應(yīng)用場合，目前應(yīng)用最為廣泛。而由于DCM型APFC電路簡單、開關(guān)管應(yīng)力小的優(yōu)點(diǎn)，所以在電子鎮(zhèn)流器中應(yīng)用廣泛。

兩級(jí)式具有APFC功能的可調(diào)光高頻交流電子鎮(zhèn)流器電路原理如圖22所示。

由于兩級(jí)變換的電子鎮(zhèn)流器電路增加了一級(jí)有源功率因數(shù)校正，所以增加了電路的元器件數(shù)量，并使電路成本提高許多，因此雖然雙級(jí)式高頻交流電子鎮(zhèn)流器性能好，但是由于成本、體積等原因很難在大范圍內(nèi)推廣使用。

針對兩級(jí)式有源功率因數(shù)校正電路的缺點(diǎn)，人們又試圖探討采用無源功率因數(shù)校正的方法來提高高頻交流電子鎮(zhèn)流器的性能，如經(jīng)常提到的有采用3只二極管和兩只電容器組成的逐流電路的無源功率因數(shù)校正和高頻復(fù)合能量反饋等方法，這無疑也是一個(gè)很好的發(fā)展方向。