熒光燈電子鎮流器方案詳解

摘要：提出了一種調光式熒光燈電子鎮流器的設計方法。基于該方法設計了一種能調光的高功率因數的電子鎮流器。采用熒光燈PSPICE模型做仿真驗證，結果表明方案和參數設計合理，調光性能優良。

　 1 引言

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

我國對電子鎮流器的研究和發展是在上世紀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電網下工作。隨著節能問題越來越受到關注，高性能的熒光燈電子鎮流器需要增加調光功能，在不必要滿功率輸出的場合，降低輸出功率，不僅節能，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流器迫在眉睫。

2 設計要點

2．1 概述

調光功能實際上是指具有調節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，應用調光系統可節能50％。

在傳統的無調光系統鎮流器設計中，由于燈在高頻下且穩定工作時，輸出功率也恒定，可以近似認為燈是定常電阻。當電網電壓波動，或由于其它原因使燈電流、燈電壓發生變化，即燈電壓、燈電流RMS值及燈功率發生改變時，只要通過閉環控制就可以使燈穩定地工作在額定點附近，燈電阻就不會發生很大的變化。然而，在調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，會產生相當大的偏差，因為在不同的調光等級，熒光燈所表現出的負阻特性是不同的。因此設計調光式電子鎮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，根據實驗結果用含有待定系數的曲線方程去近似，其中，有的用立方曲線方程，還有用指數曲線方程、拋物線曲線方程、甚至用線性方程去擬和。

PSPICE模型可以是靜態模型也可以是動態模型。靜態模型需計算出在不同工作點時燈所表現的阻抗值,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。動態模型需要在工作點變化時，把此時燈所呈現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光模型，這種模型非常適用于調光式電子鎮流器的設計。圖1是一個熒光燈PSPICE動態模型[1]。它是基于指數曲線擬和而成的，此模型是針對32W－T8燈建立的。

圖1 熒 光 燈PSPICE模 型

2．3 調光方式

調光是指調節傳遞到燈上的能量,從而改變燈功率。一個調光控制系統中一般通過控制四個參量達到調光目的，即

1）調頻

2）調節占空比

3）調節直流母線電壓

4）調節諧振阻抗值[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。占空比調制范圍是從0變化到0.5，因此，限制了調光范圍。調節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絡的Ls、Cr的參數值，這種控制方式實現起來較復雜。其中，采用調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光范圍內，不易實現軟開關；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。

2．4 模型的驗證

圖2使用一個簡單電路驗證一下燈模型，拓撲僅由一個CLASS－D逆變器構成。參數為Ls=1.56mH，Cr=5.6nF，fs=45kHz，D=0.45。

圖2 CLASS? D型 逆 變 器 電 路 拓 撲

從圖3中可以明顯地看出，在整個調光范圍內燈電壓幾乎不變，燈電流隨著頻率的增加而逐漸降低。當fs接近75kHz時，燈電流急劇下降，繼續增大頻率，燈將會熄滅。由此說明此模型能夠很好地反映燈特性。

（a） f=45kHz,D=0.45

(b) f=70kHz,D=0.45

(c) f=75kHz,D=0.45

圖3不 同 頻 率 下 燈 電 壓 、 燈 電 流 仿 真 波 形

3 設計與驗證

3.1 主電路拓撲

主電路拓撲結構如圖4所示。

電子鎮流器的主電路由PFC電路和諧振電路兩部分組成?？紤]到兩級結構的成本過高,因此將兩級中的功率開關管共用變成單級結構。圖4所示主電路拓撲就是將Buck－Boost型PFC電路與并聯負載串聯諧振電路合成在一起，燈模型采用前面所提到的模型。

圖4 調 光 式 熒 光 燈 電 子 鎮 流 器 主 電 路 拓 撲

3.2 理論設計

對于上述拓撲，功率因數校正級電感Lo是和頻率有關的量，那么調光時，隨著頻率的升高,電感電流可能要連續，這樣會影響功率因數校正的效果，燈上電壓、電流也會發生畸變，從而限制了調光范圍。因此，它的參數選擇至關重要[3]。首先，由于電感電流工作于DCM狀態，電感電流的峰值iin(peak)(t)正比于線電壓，所以它在半個工頻周期（T/2）內為

iin(peak)(t)= （1）

(0?t ?)

式中：VI為電網電壓的幅值；

ω(=2π/T)為電網電壓的角頻率；

fs為開關頻率，它大大高于電網電壓頻率；

D為開關的占空比。

而電感電流的平均值iin(m)(t)為

iin(m)(t)== (2)

從上式可以看出電感電流的峰值是呈正弦變化的，因此能實現功率因數校正。假設Buck－Boost變換器的效率是100％，功率因數是“1”，一個工頻周期內輸入功率因數校正級的平均功率為Pi為

Pi=== (3)

式（3）表明輸入功率Pi在Lo恒定的情況下可以通過改變占空比和頻率來控制，如果輸入功率等于燈驅動級的功率，電壓Vco能夠保持恒定。相反，如果輸入功率大于燈吸收的功率，則Vco將無限制地增長，造成器件損壞。

所以，應盡量使兩者相等，而輸出到燈上的功率Po為

Po= （4）

式中：Vo為燈管兩端電壓；

Rlamp為燈管等效電阻。

為了保證電感電流工作在DCM狀態，占空比D必須滿足以下條件

?D (5)

Lo= (6)

式中：Pof1，Df1，fsf1分別表示滿載時輸出功率，占空比和開關頻率。保證了整個調光范圍內電感電流斷續，即功率因數始終為“1”。

選擇開關頻率fs為45kHz，為了給DCM工作狀態留一個裕量，選擇D=0.45。功率因數校正極電感Lo=3.37mH。并聯負載串聯諧振網絡參數采用基波近似法得到，參數如下：Cs=1μF，Ls=1.41mH，Cr=5.6nF，模型依然采用前面提及的燈模型。調頻調光時直流母線電壓、燈電壓、燈電流波形如圖5所示。

(a) f=45kHz,D=0.45

(b) f=75kHz,D=0.45

圖5 提出的單級電子鎮流器不同頻率下直流母線電壓、燈電壓、燈電流仿真波形

由圖5的仿真波形可以看出，所提出的電路拓撲及參數能夠達到設計要求。當頻率從45kHz提高到75kHz時，燈功率可以從140％（46W）下降到1％（0.29W）。因此，設計的電路調光范圍很寬，調光范圍是一項非常重要的性能指標。

調光電子鎮流器的頻率與功率之間的關系如圖6所示。當fs=75kHz時輸入電流依然能夠跟隨輸入電壓，達到功率因數為“1”。其波形如圖7所示。

圖6 32W熒 光 燈 調 頻 法 調 光 曲 線

圖7 輸 入 電 壓 電 流 波 形

4 結語

應用熒光燈PSPICE動態模型可以方便地設計出一個可調光的電子鎮流器，設計者可以采用更少的假設做更深入的研究。對所選拓撲其調光范圍可達到滿功率的1％，調光范圍較寬，其功率因數達到“1”，波峰因數在整個調光范圍內始終小于1.7。