摘要：提出了一種調(diào)光式熒光燈電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)方法。基于該方法設(shè)計(jì)了一種能調(diào)光的高功率因數(shù)的電子鎮(zhèn)流器。采用熒光燈PSPICE模型做仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明方案和參數(shù)設(shè)計(jì)合理，調(diào)光性能優(yōu)良。
關(guān)鍵詞：調(diào)光；電子鎮(zhèn)流器；功率因數(shù)校正
1 引言
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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)而逐漸為人們所接受。
我國對(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)往往無法達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)的電路拓?fù)洌率乖O(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)能問題越來越受到關(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。
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)載來等效燈。
近年來，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；另一種是采用曲線擬和的方法，它是利用燈的V－I特性曲線建模，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(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，通常這類模型建立起來比較簡(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)出來的阻抗值直接反映出來，包括它的啟動(dòng)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(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)曲線擬和而成的，此模型是針對(duì)32W－T8燈建立的。
圖1 熒 光 燈PSPICE模 型
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)直流母線電壓
4）調(diào)節(jié)諧振阻抗值[2]。
頻率控制指的是改變開關(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(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)軟開關(guān)；在輕載時(shí)，器件應(yīng)力很大；且硬開通和硬關(guān)斷使電磁騷擾問題嚴(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。
2．4 模型的驗(yàn)證
圖2使用一個(gè)簡(jiǎn)單電路驗(yàn)證一下燈模型，拓?fù)鋬H由一個(gè)CLASS－D逆變器構(gòu)成。參數(shù)為L(zhǎng)s=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(gè)調(diào)光范圍內(nèi)燈電壓幾乎不變，燈電流隨著頻率的增加而逐漸降低。當(dāng)fs接近75kHz時(shí)，燈電流急劇下降，繼續(xù)增大頻率，燈將會(huì)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(shè)計(jì)與驗(yàn)證
3.1 主電路拓?fù)?
主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。
電子鎮(zhèn)流器的主電路由PFC電路和諧振電路兩部分組成。考慮到兩級(jí)結(jié)構(gòu)的成本過高,因此將兩級(jí)中的功率開關(guān)管共用變成單級(jí)結(jié)構(gòu)。圖4所示主電路拓?fù)渚褪菍uck－Boost型PFC電路與并聯(lián)負(fù)載串聯(lián)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(diào) 光 式 熒 光 燈 電 子 鎮(zhèn) 流 器 主 電 路 拓 撲
3.2 理論設(shè)計(jì)
對(duì)于上述拓?fù)洌β室驍?shù)校正級(jí)電感Lo是和頻率有關(guān)的量，那么調(diào)光時(shí)，隨著頻率的升高,電感電流可能要連續(xù)，這樣會(huì)影響功率因數(shù)校正的效果，燈上電壓、電流也會(huì)發(fā)生畸變，從而限制了調(diào)光范圍。因此，它的參數(shù)選擇至關(guān)重要[3]。首先，由于電感電流工作于DCM狀態(tài)，電感電流的峰值iin(peak)(t)正比于線電壓，所以它在半個(gè)工頻周期（T/2）內(nèi)為
iin(peak)(t)= 
（1）
(0?t 
?)
式中：VI為電網(wǎng)電壓的幅值；
ω(=2π/T)為電網(wǎng)電壓的角頻率；
fs為開關(guān)頻率，它大大高于電網(wǎng)電壓頻率；
D為開關(guān)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(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。假設(shè)Buck－Boost變換器的效率是100％，功率因數(shù)是“1”，一個(gè)工頻周期內(nèi)輸入功率因數(shù)校正級(jí)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(qū)動(dòng)級(jí)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(zhǎng)，造成器件損壞。
所以，應(yīng)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(tài)，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(shí)輸出功率，占空比和開關(guān)頻率。保證了整個(gè)調(diào)光范圍內(nèi)電感電流斷續(xù)，即功率因數(shù)始終為“1”。
選擇開關(guān)頻率fs為45kHz，為了給DCM工作狀態(tài)留一個(gè)裕量，選擇D=0.45。功率因數(shù)校正極電感Lo=3.37mH。并聯(lián)負(fù)載串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)采用基波近似法得到，參數(shù)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(diào)頻調(diào)光時(shí)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(jí)電子鎮(zhèn)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?fù)浼皡?shù)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。當(dāng)頻率從45kHz提高到75kHz時(shí)，燈功率可以從140％（46W）下降到1％（0.29W）。因此，設(shè)計(jì)的電路調(diào)光范圍很寬，調(diào)光范圍是一項(xiàng)非常重要的性能指標(biāo)。
調(diào)光電子鎮(zhèn)流器的頻率與功率之間的關(guān)系如圖6所示。當(dāng)fs=75kHz時(shí)輸入電流依然能夠跟隨輸入電壓，達(dá)到功率因數(shù)為“1”。其波形如圖7所示。
圖6 32W熒 光 燈 調(diào) 頻 法 調(diào) 光 曲 線
圖7 輸 入 電 壓 電 流 波 形
4 結(jié)語
應(yīng)用熒光燈PSPICE動(dòng)態(tài)模型可以方便地設(shè)計(jì)出一個(gè)可調(diào)光的電子鎮(zhèn)流器，設(shè)計(jì)者可以采用更少的假設(shè)做更深入的研究。對(duì)所選拓?fù)淦湔{(diào)光范圍可達(dá)到滿功率的1％，調(diào)光范圍較寬，其功率因數(shù)達(dá)到“1”，波峰因數(shù)在整個(gè)調(diào)光范圍內(nèi)始終小于1.7。