荧光灯电子镇流器方案详解
荧光灯电子镇流器方案详解
摘要：提出了一种调光式荧光灯电子镇流器的设计方法。基于该方法设计了一种能调光的高功率因数的电子镇流器。采用荧光灯pspice模型做仿真验证，结果表明方案和参数设计合理，调光性能优良。
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。
JASMINER茉莉支持第三届元宇宙生态大会成功举办
中兴通讯和高通发布最新财报 净利润增长趋势揭晓
NI助力本土厂商在门槛极高的模拟领域实现突破
电脑选台FM收音机电路图,原理图
国内首家电网侧储能电站AGC联网试验成功，它主要包含哪些内容？
荧光灯电子镇流器方案详解
三星VR/XR头显Flex Magic下半年亮相，搭载骁龙XR2+平台
按照《国家智能制造标准体系建设指南》的建设思路与目标，能迪科技推出了易云维®智慧工业云平台
PLC的功能及特点介绍
光学感测技术至2025年市场规模复合增长率估24%
电动机保护元件：热继电器的三种过载保护形式
变频器工业洗衣机行业系统方案特点
ADI在线研讨会：光谱分析技术的应用与信号链介绍
固态硬盘的耐用性受多方面的影响，如何能让它更加长寿？
三星正在与Sprint，Verizon和AT＆T合作共同开发5G手机
通用汽车和大众集团正将投资重点放在全电动汽车上
基于ESP32构建的音频播放器
人工智能到来之后 未来势必是一个大变革的时代
精密点焊机如何选择电极材料
荣耀V40官宣搭载GPU Turbo X图形加速引擎
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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
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JASMINER茉莉支持第三届元宇宙生态大会成功举办
中兴通讯和高通发布最新财报 净利润增长趋势揭晓
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