無極燈鎮(zhèn)流器介紹

引言

無極燈是Promise Light（electrodeless lamp）高頻電磁等離子體放電燈的簡稱，由燈泡/管、耦合器（內(nèi)外置）、電子鎮(zhèn)流器（高、低頻）三部分組成。鎮(zhèn)流器起電頻轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)作用，耦合器（電磁轉(zhuǎn)換）與燈泡/管是鎮(zhèn)流器的負(fù)載。這類燈的壽命非常長，可達(dá)到6-10 萬小時(shí)以上。

　　無極燈鎮(zhèn)流器是將85V～265V 50Hz/60Hz 的電網(wǎng)電能高可靠、高效率地轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)燈泡/管所需的高頻（180-250KHz；2-3MHz）交流形式電能。燈泡/管的特性決定了整個(gè)系統(tǒng)的壽命主要取決于高頻電子鎮(zhèn)流器高可靠、高穩(wěn)定的運(yùn)行壽命的技術(shù)、材料保證。

　　1 無極燈的燈泡/管特性

　　1.1 負(fù)阻特性

　　即燈管等效阻抗隨溫度T 的上升，阻抗呈下降狀態(tài)，若鎮(zhèn)流器無限流功能，燈管功率將不斷上升直至電路或燈管損壞。

　　1.2 啟動(dòng)特性

　　啟動(dòng)時(shí)需高達(dá)數(shù)千伏特的電壓和足夠的功率，才能使燈管氣體由高阻狀態(tài)進(jìn)入工作時(shí)的額定等效阻抗（從電特性對(duì)燈管工作的分析）。

　　1.3 溫度特性

　　即環(huán)境溫度的不同，使燈管的初始等效阻抗值相差巨大，這一特征對(duì)燈管在低溫下啟動(dòng)有明顯影響。

　　2 燈泡/管和驅(qū)動(dòng)供電

　　與普通日光燈管/HID 的方法一樣，負(fù)載與電源之間串接一只電感器，該電感器即鎮(zhèn)流器電感或則叫扼流電感，電感器穩(wěn)定負(fù)載電流的原理是一種負(fù)反饋調(diào)節(jié)，普通工頻情況下，為達(dá)到鎮(zhèn)流器所需的電感量，其體積大，重量重，為減小體積和重量，則要提高工作頻率，因而引入了變頻器，這就是節(jié)能燈、無極燈電子鎮(zhèn)流器。因變頻以及提高功率因數(shù)又帶來了電磁干擾問題，又不得不增加電路來解決電磁干擾，為實(shí)現(xiàn)鎮(zhèn)流，把電路搞得復(fù)雜與龐大。

　　啟動(dòng)問題，普通日光燈/HID 的啟動(dòng)是利用鎮(zhèn)流器電感反向沖擊電壓與電源電壓疊加實(shí)現(xiàn)高壓啟動(dòng)。無極燈電子鎮(zhèn)流器則利用諧振原理產(chǎn)生高壓實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)。

　　啟動(dòng)時(shí)除了高壓要求之外，另一個(gè)重要參數(shù)即功率，只有啟動(dòng)電流達(dá)到燈泡/管啟動(dòng)功率要求，方可有效啟動(dòng)燈泡/管。

　　燈泡/管的第三個(gè)特征，就是因溫度下降，燈管初始等效阻抗大幅提高，使得在相同諧振電壓情況下，啟動(dòng)電流相對(duì)減少，影響燈管的啟動(dòng)，造成啟動(dòng)困難。

　　此外，無極燈與燈具的恰當(dāng)配合保證良好的散熱效果，也是充分發(fā)揮無極燈優(yōu)良性能的一個(gè)很重要的部分。

　　3 無極燈鎮(zhèn)流器技術(shù)重點(diǎn)研究問題

　　3.1 節(jié)能效率

　　變頻過程中的效率問題鎮(zhèn)流器效率的高低，直接影響無極燈是否高效節(jié)能。

　　在研究解決效率問題中，本人認(rèn)為，在保障電路正常、安全工作的原則下，設(shè)計(jì)電路時(shí)：一是要盡可能減化電路；二是要系統(tǒng)所有參數(shù)以最優(yōu)為目標(biāo)（杜絕短板效應(yīng)）、并以降耗為第一原則，成本考慮放在其次。

　　鎮(zhèn)流電路中的元件都是物理元件，只要工作必然產(chǎn)生損耗，而不同的元件其產(chǎn)生損耗的性質(zhì)是不一樣的，可分為兩類：一類為固定損耗類，例如二極管、電阻、導(dǎo)線等。此類元件的參數(shù)設(shè)計(jì)簡單，只需根據(jù)電路原理、功率、耐壓等一些基本參數(shù)要求，精選元件就能實(shí)現(xiàn)最低能量損耗的電路設(shè)計(jì)。第二類為可變損耗類，如場效應(yīng)管（三極管）、電容、電感，此類元件的參數(shù)設(shè)計(jì)是降耗的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)得好功耗低、設(shè)計(jì)不好功耗大幅上升。設(shè)計(jì)中不僅要考慮單個(gè)元件的參數(shù)，而且要考慮電路的整體優(yōu)化，是一項(xiàng)系統(tǒng)性很強(qiáng)的工作。

　　使用場效應(yīng)管作開關(guān)管時(shí)，驅(qū)動(dòng)性能是影響場管功耗的重要原因，通常會(huì)設(shè)計(jì)一些電路來保證驅(qū)動(dòng)波形的上升速率和下降速率，使波形陡峭。例如開通時(shí)的加速電路、關(guān)閉時(shí)抽取貯存電荷等等。測試部分廠家的產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)這樣一種現(xiàn)象，有的鎮(zhèn)流器波形雖好，但功耗仍較大、場管溫度也較高，時(shí)有燒管現(xiàn)象；有的產(chǎn)品波形雖一般，功耗并非想像中那麼差、溫度也不很高，故障現(xiàn)象也不明顯。如果只從驅(qū)動(dòng)上分析，解釋不通這種現(xiàn)象。但把驅(qū)動(dòng)、電路、負(fù)載特性、電源供電、結(jié)合電路一起作理論分析，即系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化（杜絕短板效應(yīng)），就證明這種現(xiàn)象存在的合理性。

　　在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)鎮(zhèn)流器時(shí)是按優(yōu)化電路模型計(jì)算、調(diào)整各個(gè)部分的參數(shù)，使產(chǎn)品自身功耗下降、而可靠性、穩(wěn)定性就得以提高。

　　一般只考慮了電路功能的需要，而較少在降耗上下功夫。這些元件在理論狀態(tài)下只進(jìn)行能量交換而耗能不多，但由于實(shí)際上參數(shù)設(shè)計(jì)、材料選取、制作工藝的區(qū)別，最終出現(xiàn)耗能相差甚遠(yuǎn)，而這正是大功率無極燈鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)生產(chǎn)中值得所有廠家深入研究的一環(huán)。

　　3.2 諧波干擾

　　電磁兼容與諧波抑制問題除了基波外，包含各種畸變的輸入電流還含有很豐富的高次諧波分量，這些過高的諧波分量會(huì)對(duì)公共電網(wǎng)造成嚴(yán)重影響，從而形成諧波干擾。這種周期性尖脈沖電流更窄，會(huì)使直流脈動(dòng)電壓起伏變大，使燈電流的波峰系數(shù)變大，對(duì)燈泡/管極為不利。同樣，燈的光通量起伏也加大，對(duì)人的視力造成較大損害。直流脈動(dòng)電壓起伏變大也會(huì)使得開關(guān)管不能處于最佳工作狀態(tài)，容易發(fā)熱而導(dǎo)致?lián)p壞，鎮(zhèn)流器的使用壽命將大大縮短，得不償失。

　　抑制諧波的改進(jìn)措施就是盡可能提高其功率因數(shù)，減小輸入電流的諧波失真。要達(dá)到這個(gè)目的，就必須提高整流管的導(dǎo)通率（即延長輸入電流的導(dǎo)通時(shí)間），使得電源電流的波形接近電壓的正弦波，減小電流的波形失真；同時(shí)又要保證電源濾波電容能平滑地向負(fù)載連續(xù)供電（即減小輸入電流與輸入電壓間的相位差）。

　　這就是通常所說的功率因數(shù)校正電路工作原理。功率校正電路分無源校正（PPFC）和有源校正（APFC）。目前，小功率一體化無極燈電子鎮(zhèn)流產(chǎn)品限于成本價(jià)格因素，大都采用改進(jìn)型逐流電路組成的無源諧波抑制電路。這種技術(shù)發(fā)展得比較成熟，只要調(diào)試得當(dāng)，鎮(zhèn)流器的諧波含量基本可以得到有效的抑制，功率因數(shù)可達(dá)到0.85-0.90。但這種電路存在調(diào)試難度高，在大量生產(chǎn)時(shí)難以控制產(chǎn)品質(zhì)量的問題，而且基本上無法同時(shí)滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)和性能標(biāo)準(zhǔn)要求。而有源校正則是采用三極管等分立有源器件組成的諧波抑制電路，或采用專用集成電路的諧波抑制電路，功率因數(shù)一般都可達(dá)到0.95-0.99 以上。而且后者調(diào)試要比前者簡單，可靠性更高。

　　無極燈EMC 干擾主要是輻射干擾和傳導(dǎo)干擾兩部分，輻射干擾指向空間發(fā)射電磁波，也叫射頻干擾，傳導(dǎo)干擾指對(duì)電網(wǎng)的干擾；其主要來源于功率因數(shù)校正、變頻輸出、電路耦合等幾個(gè)地方。由于無極燈工作頻率極高，輸出功率大，功率管在開關(guān)過程中的硬開關(guān)特性會(huì)產(chǎn)生大量的奇次諧波與偶次諧波干擾，相對(duì)來講變頻輸出（鎮(zhèn)流器工作頻率）的干擾占大部分，在EMC 檢測中體現(xiàn)出來的就是工作頻率與它的倍數(shù)頻率附近的干擾明顯增大，隨著鎮(zhèn)流器功率的增大，干擾強(qiáng)度增大，針對(duì)這個(gè)問題必須從輸入級(jí)的濾波電路、功率因數(shù)校正電路、諧振電路上做出相應(yīng)的處理。高頻電路的PCB 設(shè)計(jì)和工藝、結(jié)構(gòu)對(duì)EMC 至關(guān)重要，重要元器件的位置、走線、接地、散熱等都要認(rèn)真分析，慎重放置。在經(jīng)過對(duì)電子鎮(zhèn)流器進(jìn)行傳導(dǎo)、輻射測試的大量數(shù)據(jù)分析后知道，電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)品所產(chǎn)生的電磁干擾中，在9~150KHz 頻率范圍主要以差模干擾為主；150KHz~30MHz 頻率范圍主要以是共模干擾為主。找到干擾源，又知道其產(chǎn)生干擾原因，只需采取相應(yīng)措施加以抑制其干擾，使通過該條款的考核并非難事。

　　除了在鎮(zhèn)流器的輸入端（電源端）加串ＥＭＩ濾波器外，還可以在鎮(zhèn)流器產(chǎn)生干擾的部件上下功夫。從前面的分析知道，開關(guān)管在其導(dǎo)通和斷開瞬間會(huì)產(chǎn)生幅度較高的脈沖電壓或電流，只要把這個(gè)脈沖電壓或電流消除或減弱即可降低鎮(zhèn)流器的干擾電壓?？煞謩e在開關(guān)管基極和發(fā)射極之間并一個(gè)瓷片電容，降低晶體管的深飽和，有助于降低脈沖電壓的幅度，而且還可防止開關(guān)管的共態(tài)導(dǎo)通，不致于損壞開關(guān)管；或在開關(guān)管集電極和發(fā)射極之間加入阻尼網(wǎng)絡(luò)（Ｄ、Ｒ、Ｃ），以吸收其通斷間產(chǎn)生的浪涌電流，對(duì)開關(guān)管起保護(hù)作用，并能有效降低干擾強(qiáng)度。

　　3.3 工作頻率

　　諧振電路的參數(shù)設(shè)計(jì)諧振電路由鎮(zhèn)流電感、耦合電感、諧振電容等構(gòu)成，在通電時(shí)產(chǎn)生諧振電壓，燈亮后鎮(zhèn)流電感與耦合器構(gòu)成穩(wěn)定的電壓分配關(guān)系。在電路設(shè)計(jì)中要考慮的因素有工作頻率、諧振頻率、功率控制、諧振電壓等參數(shù)在合理的范圍內(nèi)。

　　無極燈鎮(zhèn)流器的工作頻率，目前有2.65MHz（自激震蕩驅(qū)動(dòng)）與250KHz（它激震蕩驅(qū)動(dòng)）兩種，一般為固定頻率。當(dāng)頻率、燈泡/管功率確定后由燈泡/管功率向前反推設(shè)計(jì)參數(shù)。設(shè)計(jì)諧振參數(shù)時(shí)，可設(shè)燈管為開路狀態(tài)，鎮(zhèn)流器電感、耦合器電感、電容形成一串并聯(lián)（LCC）電路。其中f0 為諧振頻率，L1 為鎮(zhèn)流電感，L2 為耦合電感，C2 為諧振電容。通常取L1，L2 基本相等，根據(jù)燈管功率、燈管溫度等，耦合器線徑、匝數(shù)、磁環(huán)參數(shù)、電感量即可確定。耦合器與燈泡/管相似變壓器關(guān)系，其初級(jí)為耦合器，次級(jí)為燈泡/管，次級(jí)電流將改變初級(jí)電感量，使諧振電路參數(shù)發(fā)生改變，f0 偏移，鎮(zhèn)流器則以恒定頻率工作在感性負(fù)載狀態(tài)（即輸出頻率略高于驅(qū)動(dòng)頻率）。鎮(zhèn)流電感的負(fù)反饋的作用可調(diào)節(jié)燈泡/管功率。適當(dāng)提高諧振電壓和反饋電壓幅度，以利于在低溫啟動(dòng)時(shí)留有充足的余量。

　　4 異常情況保護(hù)

　　異常情況下的保護(hù)無極燈的異常情況保護(hù)主要有幾方面：高溫保護(hù)、過電壓保護(hù)、工作中保護(hù)、啟動(dòng)保護(hù)。

　　由于無極燈電子鎮(zhèn)流器為電子元器件，鎮(zhèn)流器長時(shí)間在超過70 度以上工作時(shí)，容性元件的使用壽命會(huì)大大降低，故而在工作中必須設(shè)置高溫保護(hù)電路來保證鎮(zhèn)流器的壽命與穩(wěn)定性。

　　在雷擊等異常情況下，電網(wǎng)供電電壓會(huì)產(chǎn)生極短時(shí)間的高壓浪涌，若沒有有效的電路把這種瞬間的能量導(dǎo)出電路以外，會(huì)對(duì)鎮(zhèn)流器產(chǎn)生永久性的破壞，根據(jù)浪涌等級(jí)的不同，需要設(shè)置不同強(qiáng)度的保護(hù)電路。

　　工作中保護(hù)是指在燈管正常點(diǎn)亮之后，在管殼破裂、漏氣、功率激增的異常情況的保護(hù)，這種異常情況下，若保護(hù)電路反應(yīng)時(shí)間過長或者沒有保護(hù)的話，鎮(zhèn)流器會(huì)在極短時(shí)間之內(nèi)損壞。

　　啟動(dòng)保護(hù)是指燈管因漏氣、低溫等情況下點(diǎn)火失敗時(shí)，電路處于容性或弱感性狀態(tài)下時(shí)對(duì)電路的保護(hù)，這種保護(hù)十分關(guān)鍵，大多數(shù)無極燈的損壞由于這一現(xiàn)象引起，這種情況下跟據(jù)不同的情況須采取多重保護(hù)的辦法。

　　無極燈的異常保護(hù)一般分非鎖定和鎖定兩種方式；非鎖定方式在保護(hù)過程中，開關(guān)管仍然處于工作狀態(tài)，保護(hù)狀態(tài)不斷啟動(dòng)，如保護(hù)狀態(tài)時(shí)間較長，容易造成功率開關(guān)管或保護(hù)開關(guān)管的損壞。鎖定方式的開關(guān)管在保護(hù)過程是不工作的，電路支持保護(hù)狀態(tài)一定的時(shí)間（國標(biāo)要求大于50 秒），重啟電源開關(guān)工作。

　　5 結(jié)語

　　分析無極燈的這幾個(gè)環(huán)節(jié)，可見無極燈鎮(zhèn)流器要解決的技術(shù)問題為：變頻、高轉(zhuǎn)換效率、EMC 濾波、諧振電路設(shè)計(jì)、異常情況下的保護(hù)等幾個(gè)部分。