單級(jí)高功率因數(shù)調(diào)光式熒光燈電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)

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?；谠摲椒ㄔO(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

Design of a High Power Factor Electronic Dimming Ballast

LI Yan, ZHENG Ying-nan

Abstract:A electronic dimming ballast design method is presented,based on this method,a kind of high power factor single-stage electronic dimming ballast is carried out.A fluorescent lamp PSPICE model is utilized for the electronic ballast simulation to verify the validity of the design,and the effect of dimming is good.?

Keywords:Dimming; Electronic ballast; PFC?

中圖分類號(hào)：TN86? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??? 文章編號(hào)：0219－2713(2003)04－0160－04

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(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)往往無法達(dá)到國(guó)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(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f_s，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f_s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?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)直流母線電壓指的是改變直流母線電壓的幅值，同時(shí)保持f_s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L_s、C_r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_s=1.56mH，C_r=5.6nF，f_s=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)f_s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?？紤]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)?，功率因?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i_in(peak)(t)正比于線電壓，所以它在半個(gè)工頻周期（T/2）內(nèi)為

????? i_in(peak)(t)=???? （1）

?????? (0?t? ?)

式中：V_I為電網(wǎng)電壓的幅值；

??????????? ω(=2π/T)為電網(wǎng)電壓的角頻率；

????? f_s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i_in(m)(t)為

????? i_in(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P_i為

????? P_i===??? (3)

????? 式（3）表明輸入功率P_i在L_o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V_co能夠保持恒定。相反，如果輸入功率大于燈吸收的功率，則V_co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P_o為

???????? P_o=????? （4）

式中：V_o為燈管兩端電壓；

????? R_lamp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)

??????? L_o=???? (6)

式中：P_of1，D_f1，f_sf1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f_s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L_o=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：C_s=1μF，L_s=1.41mH，C_r=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)f_s=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(yǔ)

??? 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。

參考文獻(xiàn)

[1]? Naoki Onish,Tsutomu Shiomi.A fluorescent lamp model for high frequency wide range dimming electronic ballast simulation[C].IEEE PESC Record-IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference 1999:1001－ 1005.

[2]? S.Y.Ron Hui,Leung Ming Lee,Henry Shu-Hung Chuing,Y.K.Ho.An electronic ballast with wide dimming range, high PF, and low EMI[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2001,16(4):465－ 472.

[3]? E.Deng,S.Cuk.Single-stage,high power factor,lamp ballast[C].IEEEE APEC Record－ IEEE 1994:441－ 449.