一種新型的調(diào)光電子鎮(zhèn)流器??

摘要：介紹了一種新型的熒光燈調(diào)光控制方式，即通過(guò)不對(duì)稱占空比調(diào)制的方式控制熒光燈的輸出功率。首先，基于功率關(guān)系的熒光燈模型，通過(guò)基波近似的方法得到了控制方程，得出了熒光燈的調(diào)光特性。然后，應(yīng)用一個(gè)半橋式串聯(lián)諧振并聯(lián)負(fù)載電路為例，給出了設(shè)計(jì)步驟，仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：調(diào)光電子鎮(zhèn)流器；占空比調(diào)制；諧振；功率模型

1??? 引言

??? 高頻調(diào)光電子鎮(zhèn)流器以其效率高，無(wú)頻閃，體積小等優(yōu)點(diǎn)，獲得了技術(shù)界的廣泛認(rèn)同。一般來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電子鎮(zhèn)流器電路的3個(gè)參數(shù)（直流母線電壓，占空比和開關(guān)頻率）實(shí)現(xiàn)調(diào)光。

??? 通常，調(diào)節(jié)直流母線電壓可以較好地實(shí)現(xiàn)調(diào)光的目的，但是，由于電子鎮(zhèn)流器都有功率因數(shù)要求，如果采用普通的Boost電路作為功率因數(shù)校正，直流母線電壓至少是輸入電壓的兩倍，這樣調(diào)光就被限制在了一個(gè)很小的范圍，而且這種方法的控制電路比較復(fù)雜。調(diào)頻調(diào)光是比較常用且簡(jiǎn)單的方法，但是，開關(guān)頻率的不斷變化，會(huì)使電路產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，使EMC的設(shè)計(jì)比較困難，而且調(diào)頻調(diào)光有一個(gè)固有的不穩(wěn)定區(qū)，當(dāng)頻率達(dá)到某一值時(shí)熒光燈的輸出功率會(huì)迅速變化，這會(huì)給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)麻煩。占空比的調(diào)節(jié)通常是指對(duì)稱的占空比調(diào)節(jié)方式，這種方式雖然可以使調(diào)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(huì)影響熒光燈的壽命。

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

2??? 基本電路

??? 圖1為電子鎮(zhèn)流器最基本的半橋諧振電路，輸入電壓V_in由市電經(jīng)過(guò)整流橋直接得到，通過(guò)控制開關(guān)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(gè)對(duì)稱方波電壓信號(hào)，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(dòng)電壓，并保證熒光燈正常工作時(shí)能穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1??? 基本電路

??? 在圖1的基本電路中，通過(guò)調(diào)節(jié)S₁及S₂的占空比（任何時(shí)候開關(guān)S₁及S₂導(dǎo)通時(shí)間互補(bǔ)），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(dá)到調(diào)光的目的。

??? 熒光燈是一種非線性負(fù)載，因此，需要建立一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娐纺Ｐ鸵员惴治鏊恼{(diào)光特性。本文通過(guò)對(duì)Philips T8－36W熒光燈（額定電壓95V；額定電流0.31A）的測(cè)量，可以發(fā)現(xiàn)熒光燈的電壓隨功率的減小而線性增長(zhǎng)，電流隨功率的增長(zhǎng)呈近似二次曲線的形式增長(zhǎng)，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(shù)）對(duì)熒光燈的調(diào)光過(guò)程進(jìn)行分析，可以得到與實(shí)際比較接近的結(jié)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(guān)系：R(P)=V(P)/I(P)。其關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2??? 熒光燈等效電阻與功率

3??? 調(diào)光分析

??? 在圖1所示的電路中，設(shè)計(jì)電路的諧振頻率f₀=40kHz，輸入電壓V_in=300V，根據(jù)熒光燈額定電流及電壓的關(guān)系，可以設(shè)計(jì)諧振參數(shù)：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(bǔ)，且它們的調(diào)節(jié)對(duì)實(shí)際的效果是一樣的，因此，規(guī)定本文中的D為S₁的占空比，而S₂的占空比為1－D。

??? 根據(jù)電路基本原理，可以得出占空比與熒光燈的功率關(guān)系為

??? D(P)=（4）

式中：f_n為開關(guān)頻率與電路諧振頻率的比值；

????? Z為特征阻抗，Z=。

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

圖3??? 開關(guān)占空比與功率的關(guān)系

??? 從圖3可以看到，調(diào)節(jié)占空比可以在整個(gè)功率范圍內(nèi)達(dá)到光滑的調(diào)光目的。但是在實(shí)際電路中，我們需要考慮開關(guān)的工作狀態(tài)，當(dāng)占空比過(guò)小時(shí)，開關(guān)的零電壓工作條件就不能滿足，這樣會(huì)使開關(guān)體二極管出現(xiàn)反向恢復(fù)問(wèn)題，導(dǎo)致開關(guān)損耗增加，電路的工作效率降低。為此，我們討論開關(guān)工作在零電壓狀態(tài)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(dá)到軟開關(guān)條件，必須滿足式（5）

??? D>0.5－（5）

式中：φ與功率P有關(guān)，具體可由圖1電路的基本關(guān)系得出，即

φ(P)=arctan（6）

圖4??? 不對(duì)稱占空比諧振電路基波電壓及電流

??? 它們的關(guān)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(duì)D的要求隨P的減小而增大，對(duì)照?qǐng)D3與圖5可以看到，當(dāng)功率調(diào)到12W左右的時(shí)候，D降到0.11，而由圖5及式（5）可以看到，當(dāng)功率為12W時(shí)，要求D≥0.11。因此，通過(guò)不對(duì)稱占空比的調(diào)節(jié)可以使熒光燈功率調(diào)到12W，事實(shí)上，這一數(shù)值對(duì)實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)足夠，因?yàn)?，在更低的功率下，熒光燈的光輸出?huì)減小，即每瓦的流明數(shù)會(huì)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(guān)系

4??? 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

??? 基于對(duì)Philips T8－36W直管熒光燈的參數(shù)測(cè)量，以及對(duì)基本電路的分析，應(yīng)用以下主要電路參數(shù)：C_s=100nF，L_s=1.7mH，C_f=9.3nF，V_in=300V，開關(guān)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。

??? 圖6為此電路的仿真及實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)的燈電壓及電流實(shí)驗(yàn)波形。對(duì)比這些波形及前面的計(jì)算可以看到，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真、計(jì)算符合得很好。

(a)??? 仿真波形,D=0.5,V:100V/div,I:1A/div

(b)??? 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)波形

5??? 結(jié)語(yǔ)

??? 高頻電子鎮(zhèn)流器中，通過(guò)不對(duì)稱占空比調(diào)制的方式，可以使調(diào)光平滑，并且克服傳統(tǒng)調(diào)頻調(diào)光電子鎮(zhèn)流器的EMI問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)最小占空比的控制，它還可以滿足軟開關(guān)條件。