一種新型的調光電子鎮流器??

摘要：介紹了一種新型的熒光燈調光控制方式，即通過不對稱占空比調制的方式控制熒光燈的輸出功率。首先，基于功率關系的熒光燈模型，通過基波近似的方法得到了控制方程，得出了熒光燈的調光特性。然后，應用一個半橋式串聯諧振并聯負載電路為例，給出了設計步驟，仿真及實驗結果。

關鍵詞：調光電子鎮流器；占空比調制；諧振；功率模型

1??? 引言

??? 高頻調光電子鎮流器以其效率高，無頻閃，體積小等優點，獲得了技術界的廣泛認同。一般來說，可以通過調節電子鎮流器電路的3個參數（直流母線電壓，占空比和開關頻率）實現調光。

??? 通常，調節直流母線電壓可以較好地實現調光的目的，但是，由于電子鎮流器都有功率因數要求，如果采用普通的Boost電路作為功率因數校正，直流母線電壓至少是輸入電壓的兩倍，這樣調光就被限制在了一個很小的范圍，而且這種方法的控制電路比較復雜。調頻調光是比較常用且簡單的方法，但是，開關頻率的不斷變化，會使電路產生嚴重的電磁干擾，使EMC的設計比較困難，而且調頻調光有一個固有的不穩定區，當頻率達到某一值時熒光燈的輸出功率會迅速變化，這會給實際應用帶來麻煩。占空比的調節通常是指對稱的占空比調節方式，這種方式雖然可以使調光特性曲線很平滑，但隨著占空比的減小，波形的畸變程度大大加重，會影響熒光燈的壽命。

??? 為了克服上述幾種調光方法的缺點，使之能達到平滑地調光，且不產生很大的電磁干擾，本文提出了一種新型的調光方法，即不對稱占空比的調光方法，可以達到理想的效果。

2??? 基本電路

??? 圖1為電子鎮流器最基本的半橋諧振電路，輸入電壓V_in由市電經過整流橋直接得到，通過控制開關管S₁和S₂給諧振電路提供電流；C_s為隔直電容，使A和B兩端得到一個對稱方波電壓信號，為使它基本上不參與諧振，因此，要求C_s》C_f，一般取C_s>10C_f就可滿足條件；L_s和C_f分別是諧振電感、電容，為熒光燈提供必要的啟動電壓，并保證熒光燈正常工作時能穩定運行。

圖1??? 基本電路

??? 在圖1的基本電路中，通過調節S₁及S₂的占空比（任何時候開關S₁及S₂導通時間互補），改變A和B兩端的輸入基波電壓的幅值，便可以改變熒光燈的輸入功率，從而達到調光的目的。

??? 熒光燈是一種非線性負載，因此，需要建立一個適當的電路模型以便分析它的調光特性。本文通過對Philips T8－36W熒光燈（額定電壓95V；額定電流0.31A）的測量，可以發現熒光燈的電壓隨功率的減小而線性增長，電流隨功率的增長呈近似二次曲線的形式增長，因此，采用功率模型（以功率為自變量，電流和電壓分別是功率的函數）對熒光燈的調光過程進行分析，可以得到與實際比較接近的結果。這里采用的模型如下：

??? V(P)=151－2P（1）

??? I(P)=2.28×10^－3＋5.8×10^－3P＋1.62×10^－4P2??? （2）

式中：P為熒光燈的功率。

??? 由式（1）和式（2）可以得出燈的等效電阻與功率的關系：R(P)=V(P)/I(P)。其關系曲線如圖2所示。

圖2??? 熒光燈等效電阻與功率

3??? 調光分析

??? 在圖1所示的電路中，設計電路的諧振頻率f₀=40kHz，輸入電壓V_in=300V，根據熒光燈額定電流及電壓的關系，可以設計諧振參數：L_s=1.7mH，C_f=9.3nF。A和B之間的基波電壓有效值為

??? v_AB1=V_insin(πD)（3）

式中：D是占空比，由于S₁及S₂占空比互補，且它們的調節對實際的效果是一樣的，因此，規定本文中的D為S₁的占空比，而S₂的占空比為1－D。

??? 根據電路基本原理，可以得出占空比與熒光燈的功率關系為

??? D(P)=（4）

式中：f_n為開關頻率與電路諧振頻率的比值；

????? Z為特征阻抗，Z=。

??? 當f_n=1.05（額定工作點）時，可以得到占空比與功率的關系曲線如圖3所示。

圖3??? 開關占空比與功率的關系

??? 從圖3可以看到，調節占空比可以在整個功率范圍內達到光滑的調光目的。但是在實際電路中，我們需要考慮開關的工作狀態，當占空比過小時，開關的零電壓工作條件就不能滿足，這樣會使開關體二極管出現反向恢復問題，導致開關損耗增加，電路的工作效率降低。為此，我們討論開關工作在零電壓狀態的臨界條件。

??? 圖4中v_ds1為S₁的漏—源極電壓，v_AB1為諧振電路的基波電壓，i_r為諧振電流，φ為兩者的相位差。由圖4可知，為達到軟開關條件，必須滿足式（5）

??? D>0.5－（5）

式中：φ與功率P有關，具體可由圖1電路的基本關系得出，即

φ(P)=arctan（6）

圖4??? 不對稱占空比諧振電路基波電壓及電流

??? 它們的關系曲線如圖5所示。從圖5可以看到?隨著P的減小而減小，由式（5）可知對D的要求隨P的減小而增大，對照圖3與圖5可以看到，當功率調到12W左右的時候，D降到0.11，而由圖5及式（5）可以看到，當功率為12W時，要求D≥0.11。因此，通過不對稱占空比的調節可以使熒光燈功率調到12W，事實上，這一數值對實際應用已經足夠，因為，在更低的功率下，熒光燈的光輸出會減小，即每瓦的流明數會減小，如果再減小功率將得不償失。

圖5??? 相移角φ與功率的關系

4??? 仿真及實驗結果

??? 基于對Philips T8－36W直管熒光燈的參數測量，以及對基本電路的分析，應用以下主要電路參數：C_s=100nF，L_s=1.7mH，C_f=9.3nF，V_in=300V，開關頻率為1.05倍諧振頻率即f_s=42kHz，S₁及S₂用IRF840，得出仿真及實驗結果。

??? 圖6為此電路的仿真及實驗的波形，其中圖6（a），（c），（e）分別為占空比是0.5，0.3和0.12時的燈電壓及電流仿真波形，圖6（b），（d），（f）分別為占空比是0.5，0.3和0.12時的燈電壓及電流實驗波形。對比這些波形及前面的計算可以看到，實驗結果與仿真、計算符合得很好。

(a)??? 仿真波形,D=0.5,V:100V/div,I:1A/div

(b)??? 實驗波形,D=0.5,V:100V/div,I:1A/div

(c)??? 仿真波形,D=0.3,V:100V/div,I:1A/div

(d)??? 實驗波形,D=0.3,V:100V/div,I:1A/div

(e)??? 仿真波形,D=0.12,V:100V/div,I:1A/div

(f)??? 實驗波形,D=0.12,V:100V/div,I:0.5A/div

圖6??? 熒光燈電壓和電流仿真及實驗波形

5??? 結語

??? 高頻電子鎮流器中，通過不對稱占空比調制的方式，可以使調光平滑，并且克服傳統調頻調光電子鎮流器的EMI問題。同時，通過最小占空比的控制，它還可以滿足軟開關條件。