《電子技術(shù)應(yīng)用》
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新型電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)
路秋生,吳亞娟
摘要: 討論兩種采用高頻能量反饋技術(shù)的電子鎮(zhèn)流器,它利用無源濾波技術(shù)來改善電子鎮(zhèn)流器的波峰比、總諧波失真和功率因數(shù)。從而提高電路工作的可靠性和適用性。
Abstract:
Key words :

1電子鎮(zhèn)流器及有關(guān)問題

  電子鎮(zhèn)流器的負(fù)載是一種特殊負(fù)載,要求電子鎮(zhèn)流器工作時(shí)具有能為負(fù)載提供穩(wěn)定電流的能力。由于它具有節(jié)能、效率高、節(jié)省金屬材料(銅、硅鋼)等優(yōu)點(diǎn),具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,所以引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。

  電子鎮(zhèn)流器采用高頻開關(guān)變換技術(shù),體積可以做得很小。但由于高頻開關(guān)和整流運(yùn)行的原因,它又存在源側(cè)諧波失真大、電磁輻射干擾嚴(yán)重等缺點(diǎn),當(dāng)大批電子鎮(zhèn)流器同時(shí)工作時(shí),高頻諧波會(huì)使電源中線嚴(yán)重偏離零電位,同時(shí)引入極大的峰值電源電流,嚴(yán)重干擾電源系統(tǒng)供電質(zhì)量,甚至造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

2電子鎮(zhèn)流器的發(fā)展

  從時(shí)間上劃分,電子鎮(zhèn)流器主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段:

  第一階段是80年代中期到90年代初期。這期間,電力電子技術(shù)由低頻向高頻發(fā)展,APFC(有源功率因數(shù)校正)也開始起步,電子鎮(zhèn)流器的優(yōu)缺點(diǎn)開始顯現(xiàn)出來。這一階段電子鎮(zhèn)流器的主要特征是:

 ?。?)鎮(zhèn)流器的輸入端采用不可控整流和大電容(或不用電容)濾波,輸入電流波形嚴(yán)重畸變,當(dāng)大量使用時(shí),會(huì)造成中線電流增加,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起鎮(zhèn)流器大量損壞甚至造成火災(zāi)。

 ?。?)采用“逐流”無源" title="無源">無源濾波技術(shù),使得PF>0.9,THD<30% 。 但 是 9次 諧 波 的 波 峰 因 子 Cf≈ 2, 超 過 標(biāo) 準(zhǔn) 。 有 人 把 采 用 這 種 “ 逐 流 ” 無 源 濾 波 技 術(shù) 的 電 子 鎮(zhèn) 流 器 叫 作 第 二 代 電 子 鎮(zhèn) 流 器 。

  第二階段是90年代初期到90年代中期。這期間,由于APFC技術(shù)已成熟,并推出了相關(guān)專用集成芯片。電子鎮(zhèn)流器電路主要采用兩級(jí)功率變換" title="功率變換">功率變換,第一級(jí)采用APFC(常用BOOST型PFC電路),第二級(jí)采用功率DC/AC逆變。人們常將采用這種技術(shù)的電子鎮(zhèn)流器叫作第三代電子鎮(zhèn)流器。由于它采用了PFC技術(shù),所以PF可達(dá)0.99,THD及各次諧波指標(biāo)均能滿足要求。但是這種電子鎮(zhèn)流器采取了兩級(jí)高頻功率變換,所以整機(jī)效率在80%~90%,甚至更低,同時(shí)電路復(fù)雜,成本高,一時(shí)難于大范圍推廣。

  第三階段是典型電路采用單級(jí)多功能電子鎮(zhèn)流器,發(fā)展方向主要有:

 ?。?)美國VEPC提出的高頻能量反饋的電荷泵電路,主要指標(biāo)可達(dá)PF>0.995,THD<5% , Cf<1.6。

 ?。?)CUK等人提出的單管電子鎮(zhèn)流器。

本文主要討論兩種采用高頻能量反饋技術(shù)的電子鎮(zhèn)流器和它們的工作原理。

3電子鎮(zhèn)流器的主要參數(shù)

  評(píng)價(jià)電子鎮(zhèn)流器的指標(biāo)有很多,下面介紹一些常用指標(biāo):

 ?。?)輸入側(cè)功率因數(shù)一般要求PF>0.9;

  (2)輸入側(cè)電流總諧波失真THD<20% ~ 30% , 并 且 要 求 三 次 諧 波 成 分 與 基 波 成 分 ( I3/I1) <17% ;

  (3)瞬態(tài)過電壓保護(hù)由于供電電網(wǎng)中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)高幅值(如1kV左右)的瞬態(tài)脈沖電壓,但電子鎮(zhèn)流器由于受成本的限制,功率變換器件的參數(shù)余量不大。為使電子鎮(zhèn)流器可靠工作,應(yīng)對(duì)這種高幅值的瞬態(tài)干擾加以抑制;

  (4)軟起動(dòng)功能電子鎮(zhèn)流器開起時(shí),起動(dòng)電流比正常工作電流大許多,降低了負(fù)載工作壽命,所以電子鎮(zhèn)流器應(yīng)配以軟起動(dòng)電路來減小起動(dòng)電流;

 ?。?)空載電壓電子鎮(zhèn)流器剛開始工作瞬間,負(fù)載還未工作,這時(shí)電子鎮(zhèn)流器的輸出電壓既不能太高,又不能太低。太低,燈管不能起輝;太高,又易降低燈管工作壽命;

 ?。?)負(fù)載觸發(fā)起動(dòng)方法常用的負(fù)載觸發(fā)起動(dòng)方法有兩種:

 ?、俨捎谜郎囟认禂?shù)的熱敏電阻法。由于熱敏電阻的熱慣性,負(fù)載穩(wěn)態(tài)工作時(shí)會(huì)對(duì)負(fù)載工作特性產(chǎn)生不利影響;

 ?、谒查g觸發(fā)起動(dòng),由于負(fù)載沒有預(yù)熱過程,而直接加上較高的觸發(fā)電壓,會(huì)降低燈管陰極使用壽命;

 ?。?)電流波峰因子Cf對(duì)電子鎮(zhèn)流器要求Cf<1.7, 過 大 會(huì) 降 低 負(fù) 載 壽 命 ;

  (8)效率η由于電子鎮(zhèn)流器較普通鎮(zhèn)流器的優(yōu)點(diǎn)就是效率高,效率提高了就會(huì)達(dá)到節(jié)能效果;

 ?。?)溫升由于自激振蕩的電子鎮(zhèn)流器或采用APFC技術(shù)的電子鎮(zhèn)流器中采用了磁性元件,而磁性元件的磁導(dǎo)率和溫度有關(guān)。實(shí)用中應(yīng)采用高Bs值的磁性材料,同時(shí)應(yīng)選用溫度系數(shù)低的磁性元件,特別是振蕩線圈磁性材料;

 ?。?0)應(yīng)力參數(shù)由于高頻功率變換器寄生參數(shù)的存在,功率開關(guān)器件工作時(shí),會(huì)有高頻振蕩現(xiàn)象產(chǎn)生。產(chǎn)生較大的dv/dt、di/dt,即所謂的動(dòng)態(tài)電壓、電流應(yīng)力。過大的動(dòng)態(tài)應(yīng)力會(huì)造成功率變換器件的損壞。這點(diǎn)可采用軟開關(guān)技術(shù)來降低動(dòng)態(tài)應(yīng)力值。

4采用無源濾波技術(shù)和有源濾波技術(shù)的電子鎮(zhèn)流器

4.1采用電荷泵無源濾波技術(shù)的電子鎮(zhèn)流器電路

  該電路工作框圖如圖1所示。

Lqs1.gif (6314 字節(jié))

圖1采用無源濾波的電子鎮(zhèn)流器電路

電路的輸出及輸入特性分別見表1及表2。

表1輸出特性

 

參數(shù)名稱 燈管電壓 燈管電流 陰極電壓 陰極電流 工作頻率(kHz)
有效值 110.3V 0.168A 1.9V 0.187A 37.1
峰值 117.7V 0.294A 3.3V 0.308A
波峰因數(shù)" title="波峰因數(shù)">波峰因數(shù)Cf 1.61 1.83 1.73 1.65

 

表2輸入特性

 

參數(shù)名稱 電壓 電流 有功功率18.9W功率因數(shù)PF=0.964電源頻率50或60Hz
有效值 228.8V 0.089A
峰值 382.8V 0.132A
波峰因數(shù)Cf 1.38 1.48
失真度THD% 1.9 24.3

 

電源側(cè)電壓、電流波形見圖2。

Lqs2.gif (7120 字節(jié))

圖2電源側(cè)電壓、電流波形

Lqs3.gif (5286 字節(jié))

圖3采用無源PFC的電子鎮(zhèn)流器電路

Lqs4.gif (7817 字節(jié))

圖4電源側(cè)電壓、電流波形

從圖1、2和表1、2可以看出,電路各項(xiàng)性能指標(biāo)都有所兼顧和改善,PF值大于0.95,THD值在25%左右,但電流導(dǎo)通角還有一定的死區(qū)。波峰因數(shù)Cf有很大改進(jìn),在1.70~1.80。由于這種電路簡(jiǎn)單,成本低,所以很有實(shí)用價(jià)值。

4.2采用能量反饋的無源功率因數(shù)校正的電子鎮(zhèn)流器

電路工作原理見圖3。

電源側(cè)電壓、電流波形見圖4。

電路輸出特性見表3。

表3能量反饋式電子鎮(zhèn)流器輸出特性

 

參數(shù)名稱 燈管電壓 燈管電流 陰極電壓 陰極電流 工作頻率(kHz)
有效值 57.6V 0.138A 1.7V 0.142A 37.8
峰值 67.2V 0.231A 2.7V 0.234A
波峰因數(shù)Cf 1.51 1.68 1.65 1.65

 

電路輸入特性見表4。

  從圖3、4和表3、4中有關(guān)數(shù)據(jù)可以看出,它的輸入電流導(dǎo)通角為180°,沒有死區(qū),電壓、電流基本同相位。PF>0.97,電流諧波在18%左右,Cf在1.6左右。由于電路簡(jiǎn)單,工作又比較可靠,所以比較適用于電子鎮(zhèn)流器電路。

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圖5雙泵式電子鎮(zhèn)流器電路

表4能量反饋式電子鎮(zhèn)流器輸入特性

 

參數(shù)名稱 電壓 電流 有功功率9.4W功率因數(shù)PF=0.973電源頻率50.07Hz
有效值 220.7V 0.044A
峰值 304.0V 0.067A
波峰因數(shù)Cf 1.38 1.54
失真度THD% 1.9 18.9

 

Lqs6.gif (6968 字節(jié))

圖6高頻泵式電子鎮(zhèn)流器電路

表5不同濾波電路的電子鎮(zhèn)流器綜合比較

 

類別 逐流電路 電感-電子 有源濾波(APFC) 雙泵式 高泵式
電源電流波形          
PF 0.9~0.96 0.96~0.98 >0.99 0.93~0.94 >0.99
THD 0.20~0.35 0.10~0.15 <0.1 0.25~0.35 <0.1
HD3 0.2~0.3 <0.12 <0.1 0.2~0.3 <0.1
Cif <1.7 <1.5 <1.7 <1.7 <1.7
       
η 0.88~0.9 0.8~0.85 0.8~0.85 >0.9 0.88~0.9
UDC(V) 225~230 270~280 ≥400 225~230 300~350

 

5雙泵和高頻泵電子鎮(zhèn)流器電路及實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

  下面分別介紹采用雙泵式(雙向自供輔助電源式)和高頻泵(高頻能量反饋)的無源濾波電子鎮(zhèn)流器電路和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

  圖5為雙泵式電子鎮(zhèn)流器工作原理圖。電容C1、C2,電解電容C3、C4和二極管V1~V4構(gòu)成了正、負(fù)雙向輔助電荷泵。電子鎮(zhèn)流器通電后短時(shí)間內(nèi),V1~V4及C3、C4構(gòu)成一個(gè)寄生二極管和電容濾波回路,使電路工作。燈管點(diǎn)亮后,高頻電流的一部分經(jīng)由C1、C2返回電源,另一部分經(jīng)過V1、V2整流,由C3、C4濾波,形成正、負(fù)兩個(gè)輔助電壓±△U,經(jīng)由V3、V4與橋式整流后的100Hz脈動(dòng)直流電壓相疊加,形成一個(gè)波峰比Cf比較小的供電電源為功率變換級(jí)供電。適當(dāng)選擇電容器的取值,可使電流的波峰比Cf<1.7的 同 時(shí) , 使 PF和 THD值 保 持 在 一 個(gè) 比 較 理 想 的 范 圍 。 對(duì) 典 型 的 220V/36W電 子 鎮(zhèn) 流 器 采 用 這 種 方 法 后 , 可 得 到 : PF="0.945," THD="32%" , 三 次 諧 波 含 量 HD3="0.28," Cf="1.61," η="0.93," f="24.5kHz。" 由 于 這 種 電 子 鎮(zhèn) 流 器 的 高 頻 電 流 得 到 了 再 生 利 用 , 所 以 電 路 工 作 效 率 較 高 。 由 于 燈 電 流 Cf值 較 小 , 所 以 發(fā) 光 效 率 也 比 較 高 。 源 電 壓 范 圍 為 160~ 270VAC。 整 個(gè) 電 路 對(duì) 元 器 件 無 特 殊 要 求 。

  圖6為采用無源濾波技術(shù)的高頻泵式電子鎮(zhèn)流器電路原理圖。電容C1、C2,二極管V1、V2組成高頻泵反饋回路。當(dāng)電子鎮(zhèn)流器工作后,高頻電流通過電容C1、C2和V1、V2構(gòu)成正、負(fù)兩個(gè)回路,正半周由V2對(duì)C0充電,填充低谷,波峰比變小,負(fù)峰波由V1返回電源,對(duì)整流管而言,產(chǎn)生高電平時(shí)的負(fù)阻狀態(tài),從而提高了PF值。適當(dāng)選擇元器件參數(shù),可使電路的效率得到提高。對(duì)采用這種方法的220V/36W電子鎮(zhèn)流器典型參數(shù)為:PF=0.994,THD=0.068,HD3=0.051,Cf=1.62,η=0.89,f=25.3kHz。

6結(jié)論

對(duì)采用不同濾波電路的電子鎮(zhèn)流器綜合比較結(jié)果,見表5。

  由表5可以看出,采用APFC的電子鎮(zhèn)流器總體指標(biāo)最好,但它造價(jià)相對(duì)高些,電路相對(duì)也復(fù)雜些,一時(shí)難于普及。而高頻泵和雙泵式電子鎮(zhèn)流器電路,總體指標(biāo)較好,三次諧波含量HD3:雙泵式為0.2~0.3,而高頻泵式小于0.1,有源濾波式小于0.1。由于采用雙泵和高頻泵能量反饋電路只添加幾個(gè)無源元件,造價(jià)低,所以較具有實(shí)用價(jià)值。當(dāng)然要提高整體電子鎮(zhèn)流器的性能、工作可靠性等指標(biāo),還和功率變換電路形式(如諧振軟開關(guān))、元器件的質(zhì)量有關(guān)。

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