如何实现电子镇流器在荧光灯电路中的应用设计？

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。

电子镇流器完成的是将工频交流电源转换成高频交流电源的变换器，首先，工频电源经过射频干扰滤波器、全波整流器、无源/有源功率因数校正器转变为直流电源，其次，经过直流/交流变换器转变为高频交流电源。将转换过后的高频交流电源加到LC串联谐振电路上对灯丝进行加热，在电容器上产生谐振高压使得灯管经导通状态转变为发光状态，以提供灯管正常工作所需的电压和电流。还可在其基础上添加异常保护、电流保护、温度保护等保护电路以完成各种所需功能。

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。

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。

1.1采用逐流电路的荧光灯电子镇流器电路

1.采用逐流电路的30W荧光灯电子镇流器电路

该电路如图1所示，电子镇流器主振荡级选用双向触发二极管组成的半桥逆变自激振荡电路。为提高电路的功率因数，采用了逐流滤波无源功率因数校正电路，该无源功率因数校正电路由二极管VD5、VD6、VD7及电容C1、C2等元器件组成。这里，利用逐流滤波无源功率因数校正电路可以使电子镇流器的功率因数由0.6提高到0.95。

图1 采用逐流电路的30W荧光灯电子镇流器电路

电容器C3起滤除电磁谐波干扰的作用，使输入电源的总谐波失真减至最小。电容器C7同样具有滤除谐波干扰的功能，对加至荧光灯负载的射频干扰有很好的衰减作用。

在双向触发二极管DB3回路中串联低值电阻R3，可有效地降低触发电路的浪涌脉冲电流对DB3的冲击，起到了过电流、过电压限幅的作用。所以，锯齿波发生器的启动电容器C4的容量才可以加大，以延长荧光灯灯管的预热启辉时间。

串联谐振电容器为两个同容量、同耐压值的电容器C8、C9的串联。这样相应地提高了串联谐振电容器的总耐压值，以确保串联谐振电容器可靠工作。该电路的主要电气参数如表1所示，电路元件表如表2所示。

2.采用逐流电路的20W荧光灯电子镇流器电路

该电子镇流器电路如图2所示。高频电感L1为射频干扰抑制电感，与高频滤波电容器C9相配合，能有效地滤除半桥功率逆变电路中产生的高次谐波脉冲干扰电流对电网的污染，降低了电子镇流器使用时对其他家用电器的射频干扰。

图2 采用逐流电路的20W荧光灯电子镇流器电路

整流二极管VD5、VD6、VD7与电解电容器C1、C2构成无源逐流滤波电路，改善了普通桥式整流、单电容滤波电路使交流输入市电电流波形严重畸变的弊端。无源逐流滤波电路与L1、C9相配合，可以使电子镇流器的功率因数提高到0.95。

图2中的VT3、VT4构成该电子镇流器的过电压、过电流故障保护电路。当电子镇流器电路的主振电路正常工作时，并联在直流回路里的电阻R10、R11 起分压作用，在电阻R11上分出的电压给钳位二极管VD11提供一个反偏电压，使二极管VD11截止。由于在电子镇流器电路正常工作时电阻R9上的电压降较低，不足以使双向触发二极管VD14 触发导通，所以晶体管VT4的基极无正向偏置电压而截止。同时，晶体管VT3的基极也由于得不到足够的正向偏置电压而截止，不影响振荡电路的正常工作。当电子镇流器电路出现过电压或过电流故障时，f点的振荡输出电压升高，j点的电压也相应上升。当j点电压高于i点电压时，二极管VD12由于受正向偏置电压的作用而导通，i点的直流电压迅速升高。当i点的直流电压达到或超过双向触发二极管VD14的阈值电压时，VD14导通，晶体管VT4的基极由于得到较高的正向偏置电压而饱和导通。晶体管VT4饱和导通后，相当于短路了振荡线圈T的N3绕组，功率开关振荡晶体管VT2迅速截止，振荡电路停止振荡，致使半桥功率变换电路无输出。与此同时，i点的一部分直流电压加于晶体管VT3的基极，使晶体管VT3的基极电位迅速升高而饱和导通，双向触发二极管VD13对地短路，从而关闭触发电路。这时电容C3上不再有锯齿波电压输出，整个振荡电路迅速关闭，使电子镇流器电路的元器件不致由于过电压或过电流而损坏。主电路为VT1、VT2和VD13构成的二极管触发式半桥逆变电路。

1.2 采用热敏电阻预热的电子镇流器电路

为了提高荧光灯的光效并延长灯管的使用寿命，目前的荧光灯绝大多数采用阴极预热启动工作方式。人们在电子镇流器电路方面做了大量深入的研究工作，如电子镇流器电路拓扑、阴极预热方式的选择等，以期充分发挥荧光灯的发光效率，提高工作性能。 荧光灯的阴极是一个很重要的部件，荧光灯使用寿命的长短主要取决于阴极的寿命。阴极上涂有以碳酸钡、碳酸锶和碳酸钙为主的电子发射材料，这些材料只有当阴极工作温度为900～1000℃时才能充分发射电子。另一方面，阴极通过预热发射出大量电子，使灯管的启动电压降低，通常可以降低到阴极未预热启动电压的1/2～1/3。启动电压的降低减小了相关电子元器件所承受的电应力，从而降低了荧光灯的故障率，延长了灯管的使用寿命。IEC和我国国家标准明确规定荧光灯在点亮前必须经过阴极预热，并对各种型号、规格的荧光灯的预热时间和预热电流提出了具体要求。在电子镇流器发展过程中，阴极预热一直是研究的重点之一。

1.PTC元件在电子镇流器中的应用

PTC(Positive Temperature Coefficient)为正温度系数的意思，习惯上泛指正温度系数热敏半导体材料或元器件等。随着电子镇流器在我国的推广、使用，PTC元件在电子镇流器中的应用也逐步得到了重视。

电阻-温度特性是PTC元件最基本的特性，常简称为阻温特性。阻温特性是指在规定电压下热敏电阻的零功率电阻与温度之间的关系。阻温特性曲线通常绘制在对数坐标中，线性横坐标表示温度，对数纵坐标表示电阻值。一般PTC元件的阻温特性如图3所示。

T=Tmax.Tmin是与PTC元件材料相关的参数。T越小表示温度变化范围越窄，电阻随温度变化越快，PTC特性也就越好。阻温特性是PTC元件最基本的特性，一般情况下PTC元件的特性参数可以从阻温特性曲线上求得，而PTC元件特性的好坏也可以十分直观地从阻温特性曲线上看出。阻温特性好即指温度系数大和升阻比高，而升阻比高时耐压特性好。=h在图3中，Rmin为最小零功率电阻，对应温度为Tmin。Rmax为最大零功率电阻，对应温度为Tmax。最大零功率电阻与最小零功率电阻的比值(maxminRR)称为升阻比，它是PTC元件的重要参数。

在图3中，V1>V2，表明在电压V1作用下PTC元件的升阻比、温度系数等均优于V2。因此，在实际应用中必须注意加到PTC元件上的电压大小，尽可能使其电压低些。