如何實(shí)現(xiàn)電子鎮(zhèn)流器在熒光燈電路中的應(yīng)用設(shè)計(jì)？

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

我國(guó)對(duì)電子鎮(zhèn)流器的研究和發(fā)展是在上世紀(jì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，性能指標(biāo)往往無(wú)法達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，而且極易損壞，這無(wú)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(guó)外先進(jìn)的電路拓?fù)?，致使設(shè)計(jì)方法紛繁復(fù)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(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)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(mǎn)功率輸出的場(chǎng)合，降低輸出功率，不僅節(jié)能，延長(zhǎng)燈的使用壽命，而且還能起到變換視覺(jué)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(guò)射頻干擾濾波器、全波整流器、無(wú)源/有源功率因數(shù)校正器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娫?，其次，?jīng)過(guò)直流/交流變換器轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l交流電源。將轉(zhuǎn)換過(guò)后的高頻交流電源加到LC串聯(lián)諧振電路上對(duì)燈絲進(jìn)行加熱，在電容器上產(chǎn)生諧振高壓使得燈管經(jīng)導(dǎo)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(chǔ)上添加異常保護(hù)、電流保護(hù)、溫度保護(hù)等保護(hù)電路以完成各種所需功能。

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 概述

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

在傳統(tǒng)的無(wú)調(diào)光系統(tǒng)鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)中，由于燈在高頻下且穩(wěn)定工作時(shí)，輸出功率也恒定，可以近似認(rèn)為燈是定常電阻。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)，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(shí)，只要通過(guò)閉環(huán)控制就可以使燈穩(wěn)定地工作在額定點(diǎn)附近，燈電阻就不會(huì)發(fā)生很大的變化。然而，在調(diào)光工作模式下設(shè)計(jì)變得復(fù)雜了，如果仍然把燈等效成純阻性負(fù)載，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的偏差，因?yàn)樵诓煌恼{(diào)光等級(jí)，熒光燈所表現(xiàn)出的負(fù)阻特性是不同的。因此設(shè)計(jì)調(diào)光式電子鎮(zhèn)流器不能用簡(jiǎn)單的電阻負(fù)載來(lái)等效燈。

近年來(lái)，由于采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)使電力電子裝置設(shè)計(jì)過(guò)程大大簡(jiǎn)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(shè)計(jì)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(wèn)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(fù)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(xiàn)擬和的方法，它是利用燈的V-I特性曲線(xiàn)建模，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果用含有待定系數(shù)的曲線(xiàn)方程去近似，其中，有的用立方曲線(xiàn)方程，還有用指數(shù)曲線(xiàn)方程、拋物線(xiàn)曲線(xiàn)方程、甚至用線(xiàn)性方程去擬和。

PSPICE模型可以是靜態(tài)模型也可以是動(dòng)態(tài)模型。靜態(tài)模型需計(jì)算出在不同工作點(diǎn)時(shí)燈所表現(xiàn)的阻抗值,再進(jìn)行分布仿真，通常這類(lèi)模型建立起來(lái)比較簡(jiǎn)單，但應(yīng)用十分不便。動(dòng)態(tài)模型需要在工作點(diǎn)變化時(shí)，把此時(shí)燈所呈現(xiàn)出來(lái)的阻抗值直接反映出來(lái)，包括它的啟動(dòng)過(guò)程，這樣的模型通常稱(chēng)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(shè)計(jì)。圖1是一個(gè)熒光燈PSPICE動(dòng)態(tài)模型[1]。它是基于指數(shù)曲線(xiàn)擬和而成的，此模型是針對(duì)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(gè)調(diào)光控制系統(tǒng)中一般通過(guò)控制四個(gè)參量達(dá)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(xiàn)電壓

4)調(diào)節(jié)諧振阻抗值[2]。

頻率控制指的是改變開(kāi)關(guān)頻率fs，使工作頻率遠(yuǎn)離諧振網(wǎng)絡(luò)的自然諧振頻率而減少燈功率，此時(shí)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(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，導(dǎo)通時(shí)間的減少使傳遞到燈上的能量減少?gòu)亩篃羯系墓β蕼p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(xiàn)電壓指的是改變直流母線(xiàn)電壓的幅值，同時(shí)保持fs和D不變，這種控制方式只能用于雙級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。阻抗控制是指改變諧振網(wǎng)絡(luò)的Ls、Cr的參數(shù)值，這種控制方式實(shí)現(xiàn)起來(lái)較復(fù)雜。其中，采用調(diào)頻方式的電路結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，且容易控制，因此，實(shí)際應(yīng)用最多。但它卻有著在整個(gè)調(diào)光范圍內(nèi)，不易實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān);在輕載時(shí)，器件應(yīng)力很大;且硬開(kāi)通和硬關(guān)斷使電磁騷擾問(wèn)題嚴(yán)重等缺點(diǎn)。為了擴(kuò)大調(diào)光范圍，則需擴(kuò)大頻率變化范圍，而頻率范圍又受電磁元件、門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路所限制，燈電流近似與逆變器頻率成反比，因此設(shè)計(jì)電感等電磁元件時(shí)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(jí)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(wú)源功率因數(shù)校正電路，該無(wú)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(wú)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(duì)加至熒光燈負(fù)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(duì)DB3的沖擊，起到了過(guò)電流、過(guò)電壓限幅的作用。所以，鋸齒波發(fā)生器的啟動(dòng)電容器C4的容量才可以加大，以延長(zhǎng)熒光燈燈管的預(yù)熱啟輝時(shí)間。

串聯(lián)諧振電容器為兩個(gè)同容量、同耐壓值的電容器C8、C9的串聯(lián)。這樣相應(yīng)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(duì)電網(wǎng)的污染，降低了電子鎮(zhèn)流器使用時(shí)對(duì)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(gòu)成無(wú)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(yán)重畸變的弊端。無(wú)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(gòu)成該電子鎮(zhèn)流器的過(guò)電壓、過(guò)電流故障保護(hù)電路。當(dāng)電子鎮(zhèn)流器電路的主振電路正常工作時(shí)，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(gè)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(shí)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(dǎo)通，所以晶體管VT4的基極無(wú)正向偏置電壓而截止。同時(shí)，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(dāng)電子鎮(zhèn)流器電路出現(xiàn)過(guò)電壓或過(guò)電流故障時(shí)，f點(diǎn)的振蕩輸出電壓升高，j點(diǎn)的電壓也相應(yīng)上升。當(dāng)j點(diǎn)電壓高于i點(diǎn)電壓時(shí)，二極管VD12由于受正向偏置電壓的作用而導(dǎo)通，i點(diǎn)的直流電壓迅速升高。當(dāng)i點(diǎn)的直流電壓達(dá)到或超過(guò)雙向觸發(fā)二極管VD14的閾值電壓時(shí)，VD14導(dǎo)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(dǎo)通。晶體管VT4飽和導(dǎo)通后，相當(dāng)于短路了振蕩線(xiàn)圈T的N3繞組，功率開(kāi)關(guān)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(wú)輸出。與此同時(shí)，i點(diǎn)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(dǎo)通，雙向觸發(fā)二極管VD13對(duì)地短路，從而關(guān)閉觸發(fā)電路。這時(shí)電容C3上不再有鋸齒波電壓輸出，整個(gè)振蕩電路迅速關(guān)閉，使電子鎮(zhèn)流器電路的元器件不致由于過(guò)電壓或過(guò)電流而損壞。主電路為VT1、VT2和VD13構(gòu)成的二極管觸發(fā)式半橋逆變電路。

1.2 采用熱敏電阻預(yù)熱的電子鎮(zhèn)流器電路

為了提高熒光燈的光效并延長(zhǎng)燈管的使用壽命，目前的熒光燈絕大多數(shù)采用陰極預(yù)熱啟動(dòng)工作方式。人們?cè)陔娮渔?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?fù)?、陰極預(yù)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(gè)很重要的部件，熒光燈使用壽命的長(zhǎng)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(dāng)陰極工作溫度為900～1000℃時(shí)才能充分發(fā)射電子。另一方面，陰極通過(guò)預(yù)熱發(fā)射出大量電子，使燈管的啟動(dòng)電壓降低，通常可以降低到陰極未預(yù)熱啟動(dòng)電壓的1/2～1/3。啟動(dòng)電壓的降低減小了相關(guān)電子元器件所承受的電應(yīng)力，從而降低了熒光燈的故障率，延長(zhǎng)了燈管的使用壽命。IEC和我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定熒光燈在點(diǎn)亮前必須經(jīng)過(guò)陰極預(yù)熱，并對(duì)各種型號(hào)、規(guī)格的熒光燈的預(yù)熱時(shí)間和預(yù)熱電流提出了具體要求。在電子鎮(zhèn)流器發(fā)展過(guò)程中，陰極預(yù)熱一直是研究的重點(diǎn)之一。

1.PTC元件在電子鎮(zhèn)流器中的應(yīng)用

PTC(Positive Temperature Coefficient)為正溫度系數(shù)的意思，習(xí)慣上泛指正溫度系數(shù)熱敏半導(dǎo)體材料或元器件等。隨著電子鎮(zhèn)流器在我國(guó)的推廣、使用，PTC元件在電子鎮(zhèn)流器中的應(yīng)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(jiǎn)稱(chēng)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(guān)系。阻溫特性曲線(xiàn)通常繪制在對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，線(xiàn)性橫坐標(biāo)表示溫度，對(duì)數(shù)縱坐標(biāo)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(guān)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(xiàn)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(xiàn)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(shí)耐壓特性好。=h在圖3中，Rmin為最小零功率電阻，對(duì)應(yīng)溫度為T(mén)min。Rmax為最大零功率電阻，對(duì)應(yīng)溫度為T(mén)max。最大零功率電阻與最小零功率電阻的比值(maxminRR)稱(chēng)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(shí)際應(yīng)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。