单级高功率因数调光式荧光灯电子镇流器设计

接线图 2023年11月05日 17:57 195 admin

　　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，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
　　
　　2．1 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，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，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。
　　
　　2．2 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V－I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32W－T8灯建立的。

单级高功率因数调光式荧光灯电子镇流器设计第1张

图1 荧光灯PSPICE模型

　　2．3 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。
　　
　　2．4 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CLASS－D逆变器构成。参数为Ls=1.56mH，Cr=5.6nF，fs=45kHz，D=0.45。

单级高功率因数调光式荧光灯电子镇流器设计第2张

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。

单级高功率因数调光式荧光灯电子镇流器设计第3张

（a） f=45kHz,D=0.45

单级高功率因数调光式荧光灯电子镇流器设计第4张

(b) f=70kHz,D=0.45

单级高功率因数调光式荧光灯电子镇流器设计第5张

(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Buck－Boost型PFC电路与并联负载串联谐振电路合成在一起，灯模型采用前面所提到的模型。

单级高功率因数调光式荧光灯电子镇流器设计第6张