|
1 引言 近年來，高頻熒光燈電子鎮流器以其高效、體積小、重量輕、無頻閃、燈壽命長等優點而逐漸為人們所接受。 我國對電子鎮流器的研究和發展是在上世紀80年代末到90年代初。在初期，很多廠家為了節約成本，選用的拓撲結構較簡單，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，致使設計方法紛繁復雜，甚至有些根本不適于在220V/50Hz電網下工作。隨著節能問題越來越受到關注，高性能的熒光燈電子鎮流器需要增加調光功能，在不必要滿功率輸出的場合，降低輸出功率，不僅節能，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流器迫在眉睫。 2 設計要點 2．1 概述 調光功能實際上是指具有調節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，應用調光系統可節能50％。 在傳統的無調光系統鎮流器設計中，由于燈在高頻下且穩定工作時，輸出功率也恒定，可以近似認為燈是定常電阻。當電網電壓波動，或由于其它原因使燈電流、燈電壓發生變化，即燈電壓、燈電流RMS值及燈功率發生改變時，只要通過閉環控制就可以使燈穩定地工作在額定點附近，燈電阻就不會發生很大的變化。然而，在調光工作模式下設計變得復雜了，如果仍然把燈等效成純阻性負載，會產生相當大的偏差，因為在不同的調光等級，熒光燈所表現出的負阻特性是不同的。因此設計調光式電子鎮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計使電力電子裝置設計過程大大簡化，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象，然而這種建模方法都要涉及較復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，根據實驗結果用含有待定系數的曲線方程去近似，其中，有的用立方曲線方程，還有用指數曲線方程、拋物線曲線方程、甚至用線性方程去擬和。 PSPICE模型可以是靜態模型也可以是動態模型。靜態模型需計算出在不同工作點時燈所表現的阻抗值,再進行分布仿真，通常這類模型建立起來比較簡單，但應用十分不便。動態模型需要在工作點變化時，把此時燈所呈現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光模型，這種模型非常適用于調光式電子鎮流器的設計。圖1是一個熒光燈PSPICE動態模型[1]。它是基于指數曲線擬和而成的，此模型是針對32W－T8燈建立的。 圖1 熒光燈PSPICE模型 2．3 調光方式 調光是指調節傳遞到燈上的能量,從而改變燈功率。一個調光控制系統中一般通過控制四個參量達到調光目的，即 1）調頻 2）調節占空比 3）調節直流母線電壓 4）調節諧振阻抗值[2]。 頻率控制指的是改變開關頻率fs，使工作頻率遠離諧振網絡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。占空比調制是指在fs恒定的情況下，改變開關的導通時間，導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。占空比調制范圍是從0變化到0.5，因此，限制了調光范圍。調節直流母線電壓指的是改變直流母線電壓的幅值，同時保持fs和D不變，這種控制方式只能用于雙級拓撲結構中。阻抗控制是指改變諧振網絡的Ls、Cr的參數值，這種控制方式實現起來較復雜。其中，采用調頻方式的電路結構較簡單，且容易控制，因此，實際應用最多。但它卻有著在整個調光范圍內，不易實現軟開關；在輕載時，器件應力很大；且硬開通和硬關斷使電磁騷擾問題嚴重等缺點。為了擴大調光范圍，則需擴大頻率變化范圍，而頻率范圍又受電磁元件、門極驅動電路所限制，燈電流近似與逆變器頻率成反比，因此設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逆變器構成。參數為Ls=1.56mH，Cr=5.6nF，fs=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，在整個調光范圍內燈電壓幾乎不變，燈電流隨著頻率的增加而逐漸降低。當fs接近75kHz時，燈電流急劇下降，繼續增大頻率，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 (b) f=70kHz,D=0.45 (c) f=75kHz,D=0.45 圖3 不同頻率下燈電壓、燈電流仿真波形 3 設計與驗證 3.1 主電路拓撲 主電路拓撲結構如圖4所示。 電子鎮流器的主電路由PFC電路和諧振電路兩部分組成。考慮到兩級結構的成本過高,因此將兩級中的功率開關管共用變成單級結構。圖4所示主電路拓撲就是將Buck－Boost型PFC電路與并聯負載串聯諧振電路合成在一起，燈模型采用前面所提到的模型。 圖4 調光式熒光燈電子鎮流器主電路拓撲 |
