单级高功率因数调光式荧光灯电子镇流器设计

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。
   
   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。
   
   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。
   
   （a）  f=45kHz,D=0.45
   
   (b)  f=70kHz,D=0.45
   
   (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。
   
   图4  调 光 式 荧 光 灯 电 子 镇 流 器 主 电 路 拓 扑
   3.2  理论设计
       对于上述拓扑，功率因数校正级电感Lo是和频率有关的量，那么调光时，随着频率的升高,电感电流可能要连续，这样会影响功率因数校正的效果，灯上电压、电流也会发生畸变，从而限制了调光范围。因此，它的参数选择至关重要[3]。首先，由于电感电流工作于DCM状态，电感电流的峰值iin(peak)(t)正比于线电压，所以它在半个工频周期（T/2）内为
         iin(peak)(t)=      （1）
          (0?t   ?)
   式中：VI为电网电压的幅值；
               ω(=2π/T)为电网电压的角频率；
         fs为开关频率，它大大高于电网电压频率；
          D为开关的占空比。
       而电感电流的平均值iin(m)(t)为
         iin(m)(t)= =    (2)
       从上式可以看出电感电流的峰值是呈正弦变化的，因此能实现功率因数校正。假设Buck－Boost变换器的效率是100％，功率因数是“1”，一个工频周期内输入功率因数校正级的平均功率为Pi为
         Pi= = =     (3)
         式（3）表明输入功率Pi在Lo恒定的情况下可以通过改变占空比和频率来控制，如果输入功率等于灯驱动级的功率，电压Vco能够保持恒定。相反，如果输入功率大于灯吸收的功率，则Vco将无限制地增长，造成器件损坏。
       所以，应尽量使两者相等，而输出到灯上的功率Po为
            Po=       （4）
   式中：Vo为灯管两端电压；
         Rlamp为灯管等效电阻。
       为了保证电感电流工作在DCM状态，占空比D必须满足以下条件
          ?D   (5)
           Lo=      (6)
   式中：Pof1，Df1，fsf1分别表示满载时输出功率，占空比和开关频率。保证了整个调光范围内电感电流断续，即功率因数始终为“1”。
       选择开关频率fs为45kHz，为了给DCM工作状态留一个裕量，选择D=0.45。功率因数校正极电感Lo=3.37mH。并联负载串联谐振网络参数采用基波近似法得到，参数如下：Cs=1μF，Ls=1.41mH，Cr=5.6nF，模型依然采用前面提及的灯模型。调频调光时直流母线电压、灯电压、灯电流波形如图5所示。
   
   (a)  f=45kHz,D=0.45
   
   (b)  f=75kHz,D=0.45
   图5  提出的单级电子镇流器不同频率下直流母线电压、灯电压、灯电流仿真波形
       由图5的仿真波形可以看出，所提出的电路拓扑及参数能够达到设计要求。当频率从45kHz提高到75kHz时，灯功率可以从140％（46W）下降到1％（0.29W）。因此，设计的电路调光范围很宽，调光范围是一项非常重要的性能指标。
       调光电子镇流器的频率与功率之间的关系如图6所示。当fs=75kHz时输入电流依然能够跟随输入电压，达到功率因数为“1”。其波形如图7所示。
   
   图6  32W荧 光 灯 调 频 法 调 光 曲 线
   
   图7  输 入 电 压 电 流 波 形
   4  结语
       应用荧光灯PSPICE动态模型可以方便地设计出一个可调光的电子镇流器，设计者可以采用更少的假设做更深入的研究。对所选拓扑其调光范围可达到满功率的1％，调光范围较宽，其功率因数达到“1”，波峰因数在整个调光范围内始终小于1.7。