單級高功率因數調光式熒光燈電子鎮流器設計

摘要：提出了一種調光式熒光燈電子鎮流器的設計方法。基于該方法設計了一種能調光的高功率因數的電子鎮流器。采用熒光燈PSPICE模型做仿真驗證，結果表明方案和參數設計合理，調光性能優良。

關鍵詞：調光；電子鎮流器；功率因數校正

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：TN86? 文獻標識碼：A??? 文章編號：0219－2713(2003)04－0160－04

1? 引言

??? 近年來，高頻熒光燈電子鎮流器以其高效、體積小、重量輕、無頻閃、燈壽命長等優點而逐漸為人們所接受。

??? 我國對電子鎮流器的研究和發展是在上世紀80年代末到90年代初。在初期，很多廠家為了節約成本，選用的拓撲結構較簡單，性能指標往往無法達到國家標準，而且極易損壞，這無疑給電子鎮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的電路拓撲，致使設計方法紛繁復雜，甚至有些根本不適于在220V/50Hz電網下工作。隨著節能問題越來越受到關注，高性能的熒光燈電子鎮流器需要增加調光功能，在不必要滿功率輸出的場合，降低輸出功率，不僅節能，延長燈的使用壽命，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流器迫在眉睫。

2? 設計要點

2．1? 概述

??? 調光功能實際上是指具有調節燈上的輸出功率的功能。當照明裝置并不需要滿功率輸出時，研究表明，應用調光系統可節能50％。

??? 在傳統的無調光系統鎮流器設計中，由于燈在高頻下且穩定工作時，輸出功率也恒定，可以近似認為燈是定常電阻。當電網電壓波動，或由于其它原因使燈電流、燈電壓發生變化，即燈電壓、燈電流RMS值及燈功率發生改變時，只要通過閉環控制就可以使燈穩定地工作在額定點附近，燈電阻就不會發生很大的變化。然而，在調光工作模式下設計變得復雜了，如果仍然把燈等效成純阻性負載，會產生相當大的偏差，因為在不同的調光等級，熒光燈所表現出的負阻特性是不同的。因此設計調光式電子鎮流器不能用簡單的電阻負載來等效燈。

??? 近年來，由于采用計算機輔助設計使電力電子裝置設計過程大大簡化，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計中以使用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象，然而這種建模方法都要涉及較復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，根據實驗結果用含有待定系數的曲線方程去近似，其中，有的用立方曲線方程，還有用指數曲線方程、拋物線曲線方程、甚至用線性方程去擬和。

??? PSPICE模型可以是靜態模型也可以是動態模型。靜態模型需計算出在不同工作點時燈所表現的阻抗值,再進行分布仿真，通常這類模型建立起來比較簡單，但應用十分不便。動態模型需要在工作點變化時，把此時燈所呈現出來的阻抗值直接反映出來，包括它的啟動過程，這樣的模型通常稱之為調光模型，這種模型非常適用于調光式電子鎮流器的設計。圖1是一個熒光燈PSPICE動態模型^[1]。它是基于指數曲線擬和而成的，此模型是針對32W－T8燈建立的。

圖1? 熒 光 燈PSPICE模 型

2．3? 調光方式

??? 調光是指調節傳遞到燈上的能量,從而改變燈功率。一個調光控制系統中一般通過控制四個參量達到調光目的，即

??? 1）調頻

??? 2）調節占空比

??? 3）調節直流母線電壓

??? 4）調節諧振阻抗值^[2]。

??? 頻率控制指的是改變開關頻率f_s，使工作頻率遠離諧振網絡的自然諧振頻率而減少燈功率，此時保持占空比D恒定不變。占空比調制是指在f_s恒定的情況下，改變開關的導通時間，導通時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。占空比調制范圍是從0變化到0.5，因此，限制了調光范圍。調節直流母線電壓指的是改變直流母線電壓的幅值，同時保持f_s和D不變，這種控制方式只能用于雙級拓撲結構中。阻抗控制是指改變諧振網絡的L_s、C_r的參數值，這種控制方式實現起來較復雜。其中，采用調頻方式的電路結構較簡單，且容易控制，因此，實際應用最多。但它卻有著在整個調光范圍內，不易實現軟開關；在輕載時，器件應力很大；且硬開通和硬關斷使電磁騷擾問題嚴重等缺點。為了擴大調光范圍，則需擴大頻率變化范圍，而頻率范圍又受電磁元件、門極驅動電路所限制，燈電流近似與逆變器頻率成反比，因此設計電感等電磁元件時要考慮這方面的影響。

2．4? 模型的驗證

??? 圖2使用一個簡單電路驗證一下燈模型，拓撲僅由一個CLASS－D逆變器構成。參數為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，在整個調光范圍內燈電壓幾乎不變，燈電流隨著頻率的增加而逐漸降低。當f_s接近75kHz時，燈電流急劇下降，繼續增大頻率，燈將會熄滅。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? 設計與驗證

3.1? 主電路拓撲

??? 主電路拓撲結構如圖4所示。

??? 電子鎮流器的主電路由PFC電路和諧振電路兩部分組成。考慮到兩級結構的成本過高,因此將兩級中的功率開關管共用變成單級結構。圖4所示主電路拓撲就是將Buck－Boost型PFC電路與并聯負載串聯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 光 式 熒 光 燈 電 子 鎮 流 器 主 電 路 拓 撲

3.2? 理論設計

??? 對于上述拓撲，功率因數校正級電感Lo是和頻率有關的量，那么調光時，隨著頻率的升高,電感電流可能要連續，這樣會影響功率因數校正的效果，燈上電壓、電流也會發生畸變，從而限制了調光范圍。因此，它的參數選擇至關重要^[3]。首先，由于電感電流工作于DCM狀態，電感電流的峰值i_in(peak)(t)正比于線電壓，所以它在半個工頻周期（T/2）內為

????? i_in(peak)(t)=???? （1）

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

式中：V_I為電網電壓的幅值；

??????????? ω(=2π/T)為電網電壓的角頻率；

????? f_s為開關頻率，它大大高于電網電壓頻率；

?????? D為開關的占空比。

??? 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，因此能實現功率因數校正。假設Buck－Boost變換器的效率是100％，功率因數是“1”，一個工頻周期內輸入功率因數校正級的平均功率為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動級的功率，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，造成器件損壞。

??? 所以，應盡量使兩者相等，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，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分別表示滿載時輸出功率，占空比和開關頻率。保證了整個調光范圍內電感電流斷續，即功率因數始終為“1”。

??? 選擇開關頻率f_s為45kHz，為了給DCM工作狀態留一個裕量，選擇D=0.45。功率因數校正極電感L_o=3.37mH。并聯負載串聯諧振網絡參數采用基波近似法得到，參數如下：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。調頻調光時直流母線電壓、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? 提出的單級電子鎮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，所提出的電路拓撲及參數能夠達到設計要求。當頻率從45kHz提高到75kHz時，燈功率可以從140％（46W）下降到1％（0.29W）。因此，設計的電路調光范圍很寬，調光范圍是一項非常重要的性能指標。

??? 調光電子鎮流器的頻率與功率之間的關系如圖6所示。當f_s=75kHz時輸入電流依然能夠跟隨輸入電壓，達到功率因數為“1”。其波形如圖7所示。

圖6? 32W熒 光 燈 調 頻 法 調 光 曲 線

圖7? 輸 入 電 壓 電 流 波 形

4? 結語

??? 應用熒光燈PSPICE動態模型可以方便地設計出一個可調光的電子鎮流器，設計者可以采用更少的假設做更深入的研究。對所選拓撲其調光范圍可達到滿功率的1％，調光范圍較寬，其功率因數達到“1”，波峰因數在整個調光范圍內始終小于1.7。

參考文獻

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