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1、一种新型的调光电子镇流器 滕妨华，张仲超 (浙江大学，浙江 杭州 310027） 摘要：介绍了一种新型的荧光灯调光控制方式，即通过不对称占空比调制的方式控制荧光灯的输出功率。首先，基于功率关系的荧光灯模型，通过基波近似的方法得到了控制方程，得出了荧光灯的调光特性。然后，应用一个半桥式串联谐振并联负载电路为例，给出了设计步骤，仿真及实验结果。 关键词：调光电子镇流器；占空比调制；谐振；功率模型 1 引言 高频调光电子镇流器以其效率高，无频闪，体积小等优点，获得了技术界的广泛认同。一般来说，可以通过调节电子镇流器电路的 3个参数（直流母线电压，占空比和开关频率）实现调光。 通常，调节直流母线电压可
2、以较好地实现调光的目的，但是，由于电子镇流器都有功率因数要求，如果采用普通的 Boost电路作为功率因数校正，直流母线电压至少是输入电压的两倍，这样调光就被限制在了一个很小的范围，而且这种方法的控制电路比较复杂。调频调光是比较常用且简单的方法，但是，开关频率的不断变化，会使电路产生严重的电磁干扰，使 EMC的设计比较困难，而且调频调光有一个固有的不稳定区，当频率达到某一值时荧光灯的输出功率会迅速变化，这会给实际应用带来麻烦。占空比的调节通常是指对称的占空比调节方式，这种方式虽然可以使调光特性曲线很平滑，但随着占空比的减小，波形的畸变程度大大加重，会影响荧光灯的寿命。 为了克服上述几种调光方法的
3、缺点，使之能达到平滑地调光，且不产生很大的电磁干扰，本文提出了一种新型的调光方法，即不对称占空比的调光方法，可以达到理想的效果。 2 基本电路 图 1为电子镇流器最基本的半桥谐振电路，输入电压 Vin由市电经过整流桥直接得到，通过控制开关管 S1和 S2给谐振电路提供电流； Cs为隔直电容，使 A和 B两端得到一个对称方波电压信号，为使它基本上不参与谐振，因此，要求 Cs Cf，一般取 Cs10Cf就可满足条件； Ls和 Cf分别是谐振电感、电容，为荧光灯提供必要的启动电压，并保证荧光灯正常工作时能稳定运行。 图 1 基本电路 在图 1的基本电路中，通过调节 S1及 S2的占空比（任何时候开关
4、 S1及 S2导通时间互补），改变 A和 B两端的输入基波电压的幅值，便可以改变荧光灯的输入功率，从而达到调光的目的。 荧光灯是一种非线性负载，因此，需要建立一个适当的电路模型以便分析它的调光特性。本文通过对Philips T836W 荧光灯（额定电压 95V；额定电流 0.31A）的测量，可以发现荧光灯的电压随功率的减小而线性增长，电流随功率的增长呈近似二次曲线的形式增长，因此，采用功率模型（以功率为自变量，电流和电压分别是功率的函数）对荧光灯的调光过程进行分析，可以得到与实际比较接近的结果。这里采用的模型如下： V(P)=1512 P（1） I(P)=2.28103 5.810 3 P1.
5、6210 4 P2 （2） 式中： P为荧光灯的功率。 由式（1）和式（2）可以得出灯的等效电阻与功率的关系： R(P)=V(P)/I(P)。其关系曲线如图 2所示。图 2 荧光灯等效电阻与功率 3 调光分析 在图 1所示的电路中，设计电路的谐振频率 f0=40kHz，输入电压 Vin=300V，根据荧光灯额定电流及电压的关系，可以设计谐振参数： Ls=1.7mH， Cf=9.3nF。A 和 B之间的基波电压有效值为 vAB1= Vinsin( D)（3） 式中： D是占空比，由于 S1及 S2占空比互补，且它们的调节对实际的效果是一样的，因此，规定本文中的 D为 S1的占空比，而 S2的占空
6、比为 1 D。 根据电路基本原理，可以得出占空比与荧光灯的功率关系为 D(P)= （4） 式中： fn为开关频率与电路谐振频率的比值； Z为特征阻抗， Z= 。 当 fn=1.05（额定工作点）时，可以得到占空比与功率的关系曲线如图 3所示。 图 3 开关占空比与功率的关系 从图 3可以看到，调节占空比可以在整个功率范围内达到光滑的调光目的。但是在实际电路中，我们需要考虑开关的工作状态，当占空比过小时，开关的零电压工作条件就不能满足，这样会使开关体二极管出现反向恢复问题，导致开关损耗增加，电路的工作效率降低。为此，我们讨论开关工作在零电压状态的临界条件。 图 4中 vds1为 S1的漏源极电压
7、， vAB1为谐振电路的基波电压， ir为谐振电流， 为两者的相位差。由图 4可知，为达到软开关条件，必须满足式（5） D0.5 （5） 式中： 与功率 P有关，具体可由图 1电路的基本关系得出，即 (P)=arctan （6） 图 4 不对称占空比谐振电路基波电压及电流 它们的关系曲线如图 5所示。从图 5可以看到 随着 P的减小而减小，由式（5）可知对 D的要求随P的减小而增大，对照图 3与图 5可以看到，当功率调到 12W左右的时候， D降到 0.11，而由图 5及式（5）可以看到，当功率为 12W时，要求 D0.11。因此，通过不对称占空比的调节可以使荧光灯功率调到 12W，事实上，这
8、一数值对实际应用已经足够，因为，在更低的功率下，荧光灯的光输出会减小，即每瓦的流明数会减小，如果再减小功率将得不偿失。 图 5 相移角 与功率的关系 4 仿真及实验结果 基于对 Philips T836W 直管荧光灯的参数测量，以及对基本电路的分析，应用以下主要电路参数：Cs=100nF， Ls=1.7mH， Cf=9.3nF， Vin=300V，开关频率为 1.05倍谐振频率即 fs=42kHz，S 1及 S2用IRF840，得出仿真及实验结果。 图 6为此电路的仿真及实验的波形，其中图 6（a），（c），（e）分别为占空比是 0.5，0.3 和 0.12时的灯电压及电流仿真波形，图 6（b
9、），（d），（f）分别为占空比是 0.5，0.3 和 0.12时的灯电压及电流实验波形。对比这些波形及前面的计算可以看到，实验结果与仿真、计算符合得很好。 (a) 仿真波形, D=0.5,V:100V/div,I:1A/div (b) 实验波形, D=0.5,V:100V/div,I:1A/div (c) 仿真波形, D=0.3,V:100V/div,I:1A/div (d) 实验波形, D=0.3,V:100V/div,I:1A/div (e) 仿真波形, D=0.12,V:100V/div,I:1A/div (f) 实验波形, D=0.12,V:100V/div,I:0.5A/div 图 6 荧光灯电压和电流仿真及实验波形 5 结语 高频电子镇流器中，通过不对称占空比调制的方式，可以使调光平滑，并且克服传统调频调光电子镇流器的 EMI问题。同时，通过最小占空比的控制，它还可以满足软开关条件。 作者简介 滕妨华（1979），女，浙江大学电气工程学院电力电子与电力传动专业在读硕士生，研究方向为电力电子技术。 张仲超（1942），男，浙江大学电气工程学院电力电子与电力传动专业教授和博士生导师，主要从事电力电子技术与电力传动技术的研究。
