單級高功率因數(shù)調(diào)光式熒光燈電子鎮(zhèn)流器設(shè)計

摘要：提出了一種調(diào)光式熒光燈電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計方法。基于該方法設(shè)計了一種能調(diào)光的高功率因數(shù)的電子鎮(zhèn)流器。采用熒光燈PSPICE模型做仿真驗證，結(jié)果表明方案和參數(shù)設(shè)計合理，調(diào)光性能優(yōu)良。

關(guān)鍵詞：調(diào)光；電子鎮(zhèn)流器；功率因數(shù)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(zhèn)流器以其高效、體積小、重量輕、無頻閃、燈壽命長等優(yōu)點而逐漸為人們所接受。

我國對電子鎮(zhèn)流器的研究和發(fā)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(jié)約成本，選用的拓撲結(jié)構(gòu)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(zhèn)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(shè)計方法紛繁復(fù)雜，甚至有些根本不適于在220V/50Hz電網(wǎng)下工作。隨著節(jié)能問題越來越受到關(guān)注，高性能的熒光燈電子鎮(zhèn)流器需要增加調(diào)光功能，在不必要滿功率輸出的場合，降低輸出功率，不僅節(jié)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(zhèn)流器迫在眉睫。

2 設(shè)計要點

2．1 概述

調(diào)光功能實際上是指具有調(diào)節(jié)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(yīng)用調(diào)光系統(tǒng)可節(jié)能50％。

在傳統(tǒng)的無調(diào)光系統(tǒng)鎮(zhèn)流器設(shè)計中，由于燈在高頻下且穩(wěn)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(wǎng)電壓波動，或由于其它原因使燈電流、燈電壓發(fā)生變化，即燈電壓、燈電流RMS值及燈功率發(fā)生改變時，只要通過閉環(huán)控制就可以使燈穩(wěn)定地工作在額定點附近，燈電阻就不會發(fā)生很大的變化。然而，在調(diào)光工作模式下設(shè)計變得復(fù)雜了，如果仍然把燈等效成純阻性負載，會產(chǎn)生相當大的偏差，因為在不同的調(diào)光等級，熒光燈所表現(xiàn)出的負阻特性是不同的。因此設(shè)計調(diào)光式電子鎮(zhèn)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(shè)計使電力電子裝置設(shè)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(shè)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(xiàn)象，然而這種建模方法都要涉及較復(fù)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(jù)實驗結(jié)果用含有待定系數(shù)的曲線方程去近似，其中，有的用立方曲線方程，還有用指數(shù)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(tài)模型也可以是動態(tài)模型。靜態(tài)模型需計算出在不同工作點時燈所表現(xiàn)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(yīng)用十分不便。動態(tài)模型需要在工作點變化時，把此時燈所呈現(xiàn)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(diào)光模型，這種模型非常適用于調(diào)光式電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計。圖1是一個熒光燈PSPICE動態(tài)模型^[1]。它是基于指數(shù)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(diào)光方式

調(diào)光是指調(diào)節(jié)傳遞到燈上的能量,從而改變燈功率。一個調(diào)光控制系統(tǒng)中一般通過控制四個參量達到調(diào)光目的，即

1）調(diào)頻

2）調(diào)節(jié)占空比

3）調(diào)節(jié)直流母線電壓

4）調(diào)節(jié)諧振阻抗值^[2]。

頻率控制指的是改變開關(guān)頻率f_s，使工作頻率遠離諧振網(wǎng)絡(luò)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(diào)制是指在f_s恒定的情況下，改變開關(guān)的導(dǎo)通時間，導(dǎo)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(diào)制范圍是從0變化到0.5，因此，限制了調(diào)光范圍。調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)中。阻抗控制是指改變諧振網(wǎng)絡(luò)的L_s、C_r的參數(shù)值，這種控制方式實現(xiàn)起來較復(fù)雜。其中，采用調(diào)頻方式的電路結(jié)構(gòu)較簡單，且容易控制，因此，實際應(yīng)用最多。但它卻有著在整個調(diào)光范圍內(nèi)，不易實現(xiàn)軟開關(guān)；在輕載時，器件應(yīng)力很大；且硬開通和硬關(guān)斷使電磁騷擾問題嚴重等缺點。為了擴大調(diào)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(qū)動電路所限制，燈電流近似與逆變器頻率成反比，因此設(shè)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(gòu)成。參數(shù)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(diào)光范圍內(nèi)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(xù)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