一种调光式荧光灯电子镇流器的设计方法

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1、荧光灯电子镇流器方案详解荧光灯电子镇流器方案详解摘要：提出了一种调光式荧光灯电子镇流器的设计方法。基于该方法设计了一摘要：提出了一种调光式荧光灯电子镇流器的设计方法。基于该方法设计了一 种能调光的高功率因数的电子镇流器。采用荧光灯种能调光的高功率因数的电子镇流器。采用荧光灯 PSPICE 模型做仿真验证，模型做仿真验证， 结果表明方案和参数设计合理，调光性能优良。结果表明方案和参数设计合理，调光性能优良。 1 引言 近年来，高频荧光灯电子镇流器以其高效、体积小、重量轻、无频闪、灯寿命 长等优点而逐渐为人们所接受。 我国对电子镇流器的研究和发展是在上世纪 80 年代末到 90 年代初。在初期，

2、很多厂家为了节约成本，选用的拓扑结构较简单，性能指标往往无法达到国家 标准，而且极易损坏，这无疑给电子镇流器的普及造成了更多障碍。目前,一些 人直接套用国外先进的电路拓扑，致使设计方法纷繁复杂，甚至有些根本不适 于在 220V/50Hz 电网下工作。随着节能问题越来越受到关注，高性能的荧光灯 电子镇流器需要增加调光功能，在不必要满功率输出的场合，降低输出功率， 不仅节能，延长灯的使用寿命，而且还能起到变换视觉效果的目的。因此,研究 出高性能、更贴近灯特性、且功能齐全的电子镇流器迫在眉睫。 2 设计要点 21 概述 调光功能实际上是指具有调节灯上的输出功率的功能。当照明装置并不需要满 功率输出时

3、，研究表明，应用调光系统可节能 50。 在传统的无调光系统镇流器设计中，由于灯在高频下且稳定工作时，输出功率 也恒定，可以近似认为灯是定常电阻。当电网电压波动，或由于其它原因使灯 电流、灯电压发生变化，即灯电压、灯电流 RMS 值及灯功率发生改变时，只 要通过闭环控制就可以使灯稳定地工作在额定点附近，灯电阻就不会发生很大 的变化。然而，在调光工作模式下设计变得复杂了，如果仍然把灯等效成纯阻 性负载，会产生相当大的偏差，因为在不同的调光等级，荧光灯所表现出的负 阻特性是不同的。因此设计调光式电子镇流器不能用简单的电阻负载来等效灯 。 近年来，由于采用计算机辅助设计使电力电子装置设计过程大大简化，

4、并且可 以得到更多的电路工作信息。常用的仿真软件有 PSPICE、MATLAB 等等，而 在电力电子装置的设计中以使用 PSPICE 居多。因此，建立荧光灯的 PSPICE 模 型成为迫切需要解决的问题。 22 荧光灯的建模 荧光灯的建模主要有两种方法，一种是物理建模，它是基于灯的物理放电现象 ，然而这种建模方法都要涉及较复杂的方程式和很多变量，不适合电路仿真；另一种是采用曲线拟和的方法，它是利用灯的 VI 特性曲线建模，根据实验结 果用含有待定系数的曲线方程去近似，其中，有的用立方曲线方程，还有用指 数曲线方程、抛物线曲线方程、甚至用线性方程去拟和。 PSPICE 模型可以是静态模型也可以是

5、动态模型。静态模型需计算出在不同工作 点时灯所表现的阻抗值,再进行分布仿真，通常这类模型建立起来比较简单，但 应用十分不便。动态模型需要在工作点变化时，把此时灯所呈现出来的阻抗值 直接反映出来，包括它的启动过程，这样的模型通常称之为调光模型，这种模 型非常适用于调光式电子镇流器的设计。图 1 是一个荧光灯 PSPICE 动态模型 1。它是基于指数曲线拟和而成的，此模型是针对 32WT8 灯建立的。 图 1 荧 光 灯 PSPICE 模 型 23 调光方式 调光是指调节传递到灯上的能量,从而改变灯功率。一个调光控制系统中一般通 过控制四个参量达到调光目的，即 1）调频 2）调节占空比 3）调节直

6、流母线电压 4）调节谐振阻抗值2。频率控制指的是改变开关频率 fs，使工作频率远离谐振网络的自然谐振频率而 减少灯功率，此时保持占空比 D 恒定不变。占空比调制是指在 fs 恒定的情况下 ，改变开关的导通时间，导通时间的减少使传递到灯上的能量减少从而使灯上的功率减少。占空比调制范围是从 0 变化到 0.5，因此，限制了调光范围。调节 直流母线电压指的是改变直流母线电压的幅值，同时保持 fs 和 D 不变，这种控 制方式只能用于双级拓扑结构中。阻抗控制是指改变谐振网络的 Ls、Cr 的参数 值，这种控制方式实现起来较复杂。其中，采用调频方式的电路结构较简单， 且容易控制，因此，实际应用最多。但它

7、却有着在整个调光范围内，不易实现 软开关；在轻载时，器件应力很大；且硬开通和硬关断使电磁骚扰问题严重等 缺点。为了扩大调光范围，则需扩大频率变化范围，而频率范围又受电磁元件 、门极驱动电路所限制，灯电流近似与逆变器频率成反比，因此设计电感等电 磁元件时要考虑这方面的影响。 24 模型的验证图 2 使用一个简单电路验证一下灯模型，拓扑仅由一个 CLASSD 逆变器构成 。参数为 Ls=1.56mH，Cr=5.6nF，fs=45kHz，D=0.45。图 2 CLASS D 型 逆 变 器 电 路 拓 扑从图 3 中可以明显地看出，在整个调光范围内灯电压几乎不变，灯电流随着频 率的增加而逐渐降低。当

8、 fs 接近 75kHz 时，灯电流急剧下降，继续增大频率， 灯将会熄灭。由此说明此模型能够很好地反映灯特性。（a） f=45kHz,D=0.45 (b) f=70kHz,D=0.45 (c) f=75kHz,D=0.45 图 3 不 同 频 率 下 灯 电 压 、 灯 电 流 仿 真 波 形 3 设计与验证 3.1 主电路拓扑 主电路拓扑结构如图 4 所示。 电子镇流器的主电路由 PFC 电路和谐振电路两部分组成。考虑到两级结构的成 本过高,因此将两级中的功率开关管共用变成单级结构。图 4 所示主电路拓扑就 是将 BuckBoost 型 PFC 电路与并联负载串联谐振电路合成在一起，灯模型采

9、 用前面所提到的模型。图 4 调 光 式 荧 光 灯 电 子 镇 流 器 主 电 路 拓 扑 3.2 理论设计对于上述拓扑，功率因数校正级电感 Lo 是和频率有关的量，那么调光时，随 着频率的升高,电感电流可能要连续，这样会影响功率因数校正的效果，灯上电 压、电流也会发生畸变，从而限制了调光范围。因此，它的参数选择至关重要 3。首先，由于电感电流工作于 DCM 状态，电感电流的峰值 iin(peak)(t)正比于 线电压，所以它在半个工频周期（T/2）内为 iin(peak)(t)= （1） (0t )式中：VI 为电网电压的幅值； (=2/T)为电网电压的角频率； fs 为开关频率，它大大高

10、于电网电压频率； D 为开关的占空比。而电感电流的平均值 iin(m)(t)为 iin(m)(t)= (2)从上式可以看出电感电流的峰值是呈正弦变化的，因此能实现功率因数校正。 假设 BuckBoost 变换器的效率是 100，功率因数是“1”，一个工频周期内输 入功率因数校正级的平均功率为 Pi 为 Pi= (3)式（3）表明输入功率 Pi 在 Lo 恒定的情况下可以通过改变占空比和频率来控制 ，如果输入功率等于灯驱动级的功率，电压 Vco 能够保持恒定。相反，如果输 入功率大于灯吸收的功率，则 Vco 将无限制地增长，造成器件损坏。所以，应尽量使两者相等，而输出到灯上的功率 Po 为 Po

11、= （4）式中：Vo 为灯管两端电压； Rlamp 为灯管等效电阻。为了保证电感电流工作在 DCM 状态，占空比 D 必须满足以下条件D (5)Lo= (6)式中：Pof1，Df1，fsf1 分别表示满载时输出功率，占空比和开关频率。保证了 整个调光范围内电感电流断续，即功率因数始终为“1”。选择开关频率 fs 为 45kHz，为了给 DCM 工作状态留一个裕量，选择 D=0.45。 功率因数校正极电感 Lo=3.37mH。并联负载串联谐振网络参数采用基波近似法 得到，参数如下：Cs=1F，Ls=1.41mH，Cr=5.6nF，模型依然采用前面提及的 灯模型。调频调光时直流母线电压、灯电压、灯

12、电流波形如图 5 所示。(a) f=45kHz,D=0.45 (b) f=75kHz,D=0.45 图 5 提出的单级电子镇流器不同频率下直流母线电压、灯电压、灯电流仿真波 形 由图 5 的仿真波形可以看出，所提出的电路拓扑及参数能够达到设计要求。当 频率从 45kHz 提高到 75kHz 时，灯功率可以从 140（46W）下降到 1（0.29 W）。因此，设计的电路调光范围很宽，调光范围是一项非常重要的性能指标 。调光电子镇流器的频率与功率之间的关系如图 6 所示。当 fs=75kHz 时输入电流 依然能够跟随输入电压，达到功率因数为“1”。其波形如图 7 所示。图 6 32W 荧 光 灯 调 频 法 调 光 曲 线 图 7 输 入 电 压 电 流 波 形 4 结语 应用荧光灯 PSPICE 动态模型可以方便地设计出一个可调光的电子镇流器，设 计者可以采用更少的假设做更深入的研究。对所选拓扑其调光范围可达到满功 率的 1，调光范围较宽，其功率因数达到“1”，波峰因数在整个调光范围内始 终小于 1.7。