高频交流电子镇流技术发展与应用(一)

高频交流电子镇流技术发展与应用(一)
   【摘 要】 本文主要讨论了高频交流电子镇流技术的发展、应用、典型电路、存在问题及发展方向.介绍了典型应用集成电路和相关设计软件.
    【关键词】 高频交流电子镇流 半桥逆变 buck-boost PFC 单级变换
一、高频交流电子镇流
    由于气体放电灯(如荧光灯、霓虹灯、卤素灯、金卤灯等)是一种负阻性电光源(特性曲线如图1所示)要使其正常稳定工作,需加一个限流装置.这个限流装置叫做镇流器.目前气体放电灯使用的镇流器有两种:(1)电感式镇流器;(2)高频交流电子镇流器.由于电感式镇流器工作在市电频率,体积大、笨重,还需消耗大量铜和硅钢等金属材料,散热困难、效率低、有频闪,所以现在一些电光源界的科技工作者纷纷寻找新的镇流方法,而高频交流电子镇流器就是一种有效方法.
    电子镇流采用高频开关变换电子线路的方法实现镇流,具有无频闪、效率高、体积小、重量轻、可调光,不使用大量铜材和硅钢材料的特点,所以自20世纪70年代以来,高频交流电子镇流器一问世,由于它的体积小、发光效率高(发光效率与工作频率关系曲线如图2 所示)无频闪效应,适应供电电压范围宽、节能的一系列优点,受到了用户的欢迎.
   据统计,世界上照明用电占了世界上产生的总电量的1/4,如仅将现用的200亿只灯泡中的50亿只换成节能的电子镇流灯泡,就可节省200GW的电能,从而少建几十个电站.由于高频交流电子镇流器节能和巨大的市场潜力,进入20世纪90年代后,各种气体放电照明灯广泛采用高频电子镇流器,形成一个"绿色照明"的新兴产业.
    "绿色照明"是90年代初国际上对节约电能、保护环境照明系统的形象说法.美、英、法、日等主要发达国家和部分发展中国家先后制定了"绿色照明"的计划,并已经取得明显效果.事实上,照明的质量和水平已成为衡量社会现代化的一个重要标志,成为人类社会可持续发展的一项重要标志.
    目前,我国已成为照明器具的生产大国,现有照明器具生产企业1000家,电光源产品有60多个门类3500多个品种规格,灯具产品30多个门类500多个品种规格.我国照明节能大有潜力可挖.目前,荧光灯、稀土三色紧凑型荧光灯已生产出适合家用的H、双H、O、D、双D、SL型等多种产品.这种灯与照度相同的管型荧光灯相比约节电27%,与白炽灯相比,可节电70%.2001年,按每户仅用一只节能灯计算,全国4亿只节能灯就可节电2000万千瓦电力,投资只需120亿元,而要生产2000万千瓦的电力,即需投资500亿元.所以在我国照明节能是一项很重要的课题.
    目前,世界上一些著名的大专院校、科研院所、公司都投入了较大的力量进行高频交流电子镇流器的科研开发、生产.如美国弗吉尼亚大学功率电子研究中心(VPEC),李泽元教授领导的科研中心每年都有相关论文和实验报告在IEEE功率电子学学刊刊出,并提出了如高频能量反馈、采用电荷泵功率因数校正的电子镇流器等概念,美国加州理工大学(UCT)的S.CUK教授关于单级高功率因数电子镇流器,一种用于紧凑型荧光灯的E类电子镇流器,西班牙、巴西、我国台湾和香港地区的一些著名高等院校、科研院所、公司都投入了一些高水平的科研人员进行开发.同时,国内一些著名科研院所、大学也投入了较大力量进行科研开发.这点可从国内相关科技文献看出.勿容置疑的是我国是世界上电子镇流器的一个生产大国,我国有较多的公司、企业从事这种"绿色电光源"产品的生产.
    特别是自20世纪80年代末、90年代初,IEC928(1990)、GB15143(1994)《管形荧光灯用交流电子镇流器一般要求和安全要求》及IEC929(1990)、GB/T15144《管形荧光灯用交流电子镇流器的性能要求》等技术标准相继颁布与实施,使交流电子镇流器的研究、开发、生产有了统一技术规范.
    由于高频交流电子镇流器要求体积小、造价低,并且对电磁辐射干扰、输入功率因数、波峰因数、可靠性等技术指标严格,所以要做出一个满足高性能、低价格、体积小、低电磁辐射干扰,使用安全可靠的高频交流电子镇流器并非件易事,所以往往让人感到:看似简单的一个电子产品,但是技术含量很高,是一个涉及电路拓扑、高频电子变换、谐振开关(ZVS、ZCS)、LC串并联谐振、功率因数校正、电磁干扰抑制(EMC、EMI)、信号传感、采集和控制、电子元器件、电光源器件等电力电子技术的方方面面.同时,如何测量高频交流电子镇流器的技术参数,如功率、高频谐波成分、效率、电磁辐射干扰(EMI),也是高频交流电子镇流器的研究热点.
    实践证明,要做出一只高性能的高频交流电子镇流器,还需对它的负载--灯的技术特性、灯对电源的技术要求有所了解,否则要做出高性能的高频交流电子镇流器是不现实的.
    由于对电网供电质量的要求不断提高,国际电工技术委员会1982年分别制定了IEC555-2《家用设备及类似电器设备对供电系统的干扰》标准,和IEC1000-3-2《电磁兼容性标准》,分别对相关电器设备的功率、谐波成分、电磁辐射干扰等技术指标做出了要求,对高频交流电子镇流器而言也相应增加了电路的设计难度和制造难度.
二、常用高频交流电子镇流器电路与改进
(一)单级半桥谐振式
由于半桥谐振式逆变电路工作可靠,对开关管耐压要求较低,所以采用半桥谐振式逆变电路为灯负载供电的功率变换电路使用最为广泛.它主要由:交流市电供电整流电路(滤波)、启动电路、串联谐振高频逆变电路、保护电路、灯负载几部分组成.
    这是一个典型的、自激振荡、自启动的LC串联谐振半桥逆变的高频交流电子镇流器电路,谐振主要由L、、C3、C4完成,利用谐振时C4上的高频电压点亮灯负载,当灯负载电流发生变化时,会影响谐振回路Q值,从而影响谐振电容C4上的谐振电压,来实现稳定灯负载电流的作用.
    由于这种电路采用元件少、造价低,所以目前国内市场上见到的高频交流电子镇流器大多采用类似的这种电路.
    但这种电路存在以下缺点:(1)无灯丝预热功能,易产生灯丝电极溅射作用,而降低灯丝的使用寿命,使用时间一长易造成灯管一端发黑的现象;(2)由于采用市电整流后直接给半桥逆变级供电,所以会产生很强的高次谐波干扰,降低交流市电输入侧的功率因数,并降低电源供电效率,采用这种电路的高频交流电子镇流器大量使用时,会造成三相四线供电电网的地电位偏移,因而造成用电设备的损坏;(3)由于半桥逆变级工作在高频开关逆变状态,所以产生的高次谐波,会产生相应的电磁幅射干扰,影响其它用电设备的正常工作;(4)由于电路没有设保护电路,所以一旦市电电源供电发生故障(如电网电压升高过多)或灯负载发生破裂等故障时,易造成电路损坏,严重时还会发生火灾事故.
(二)双级谐振式高频交流电子镇流器
    针对单级半桥谐振式高频交流电子镇流器电路存在的以上缺陷,人们又开发设计出了双级谐振式高频交流电子镇流器电路.它主要在普通的单级谐振高频交流电子镇流器的基础上,再加了一级有源功率因数校正(APFC)电路,用以进行交流市电输入整流滤波的功率因数校正,并限制高次谐波成分,从而达到减小电磁幅射干扰,提高输入侧功率因数的目的.并且由于有源功率因数校正(APFC)还有预稳压的作用,同时还可以调光(调节APFC输出电压),所以既可提高电子镇流器的电性能,又可提高电子镇流器的可靠性.
    有源功率因数校正按电路构成可分为:降压式、升/降压式、反激式、升压式等几种.按控制市电输入电流的工作原理可分为:平均电流型、滞后电流型、峰值电流型、电压控制型几种.按功率因数校正电路中电感电流的工作方式又可分为:电流连续型(CCM)、电流不连续型(DCM).
    由于升压式有源功率因数校正电路具有PF值高、THD小、效率高,但需输出电压高于输入电压,适用于75W-2KW的应用场合,所以目前应用最为广泛.
    由于DCM型APFC电路简单,开关管应力小的优点,所以在电子镇流器中应用广泛.
    两级式具有APFC功能的高频交流电子镇流器电路由于增加了一级有源功率因数校正电路,所以增加了电路的复杂性,使成本提高许多,虽然双级式高频交流电子镇流器性能好,但由于成本、体积等原因也很难于大范围推广使用.
(三)无源功率因数校正
    针对两级式有源功率因数校正电路的缺点,人们又试图探讨用无源功率因数校正的方法来提高高频交流电子镇流器的性能,如经常提到的有采用三只二极管和二只电容器的逐流电路的无源功率因数校正和高频复合能量反馈等方法,虽然在理论分析上可行,并有相应的实验结果、结论,但是至今未见广泛使用.还需进一步提高技术性能,但无疑这是一个很好的发展方向.
(四)常用高频交流电子镇流器调光
    由于高频交流电子镇流器具有节能的优点,特别是在不需电子镇流器满功率进行的场合下,采用调光控制节能效果会更加明显.
    调光控制有一个用户可控制的调光控制输入端并应具有以下基本功能:能检测灯电流、灯电压、灯功率;利用反馈电路来调节用户设定的亮度.
    常用的调光方法主要有以下四种:占空比调光法、调频调光法、调节高频逆变器供电电压调光法、 脉冲调相调光法.
1、占空比调光法
    这种调光控制法利用调节高频逆变器中功率开关管的脉冲占空比,实现输出功率调节,对半桥逆变的最大占空比为0.5,以确保半桥逆变器的两个开关管有一个死时间,以免两个开关管共态导通损坏.
    这种调光方法存在的问题是:如果电感电流连续并滞后于半桥电压Uxy,则开关可能导通时工作在零电压状态,关断瞬间需采用吸收电容达到ZCS工作条件,这样可进入ZVS工作方式,这是优点,EMI和开关管应力可明显降低.然而,如果占空比太小,以至电感电流不连续,将失去ZVS工作特性,并且由于供电直流电压较高,而使开关管上的应力加大,这种不连续电流导通状态将导致可靠性降低和加大EMI幅射.
    除了小的脉冲占空比,当灯管发生故障时,也会出现不连续电流工作状态,当灯为开路故障时,电感电流将流过谐振电容,由于这个电容的容量较小,所以阻抗较大.除非两个开关管有吸收电路保护,否则开关管将承受很大的电压应力.
2、调频调光法
    调频调光法也是常用的调光方法.如果高频交流电子镇流器的开关频率增加,则电感的阻抗增加,这样,电感电流就会下降.
调频调光法的局限性:
A．调光范围由调频范围决定,如果调频范围不大,则功率调节范围也不大.
B．为了实现在低灯功率工作条件下实现调光,则调频范围应很宽(即从25KHZ--50KHZ).磁芯的频率范围、驱动电路、控制电路可能限制调光范围.
C．在整个调频范围内不易实现软开关.轻载时,不能实现软开关,并使开关管上的电压应力加大.硬开关的瞬态过渡是EMI幅射的主要来源.
D．如果半桥逆变器不工作在软开关状态,则导致逆变器的损耗加大,导致效率降低.
E．当开关频率在红外遥控的频率范围内时,荧光灯将发射低电平的红外线,如果调频范围很大,其它的红外遥控装置如电视机将会受到影响.
F．灯电流近似反比于逆变器开关频率,调光与开关频率间不是线性关系.
G．当灯管发生开路故障时,将出现DCM工作状态,特别是当开关频率很低时.
3、改变半桥逆变器供电电压调光法
    利用改变半桥逆变器供电电压法实现调光有以下优点:
A．调节半桥逆变器供电电压来实现调光.
B．采用固定占空比(约0.5)的方法,使半桥逆变器工作在软开关电感电流连续的宽调光范围调光(这也可使开关控制电路简化).
C．由于开关频率固定,所以可以针对给定的灯型号简化控制电路设计.
D．由于开关频率刚好大于谐振频率,所以可以降低无功功率和提高工作效率.
E．由于开关频率固定,所以可以较方便的确定无源器件的参数.
F．在较宽的灯功率范围内(5%--100%)保持ZVS工作条件.
G．在很低的半桥逆变器供电电压下,将会失去软开关特性,将会出现电感电流不连续的工作状态.然而在直流供电电压很低的情况下,这种工作状态不再是个问题,这时的开关管应力和损耗将很小,即使硬开关在低直流供电电压情况下(如20V),也不会产生太多EMI幅射.
H．可实现平滑和几乎线性的灯功率控制特性.
I．可得到低功率解决方案,半桥逆变器的供电电压可以选得很低(如5%--100%的调光范围对应30-120V),这样可采用低电压电容和MOSFET.
J．调光控制仅通过控制SEPIC变换器输出电压实现.由于半桥逆变器工作在恒频工作状态,所以可采用简单的AC/DC控制即可实现调光.
K．灯电流近似和DC变换器的电压成正比,调光几乎和SEPIC DC变换器的输出直流电压成正比.调光曲线如图6所示.
4、脉冲调相调光法
    利用调节半桥逆变器中两支开关管的导通相位的方法来调节输出功率,从而达到输出调光的目的.调相法调光曲线图如图7所示.
    相控调光法主要有以下特点:⑴可调光至此1%;⑵可在任意调光设定值下启动;⑶可应用于多灯应用场合;⑷调光相位灯功率关系线性好.
(五)两级高功率因数电子镇流器常用IC及特点
    由于高频交流电子镇流器的巨大市场和经济效益,国际上许多有实力的半导体厂商纷纷开发相应的集成电路,以方便用户、生产厂商使用,大批量生产.有的半导体厂商还给出了相关的电子镇流器设计软件.世界上主要生产、开发高频交流电子镇流器的主要生产厂商有:美国国际整流器公司(IR)、莫托罗拉公司(MC)、美国微线公司(ML)、韩国三星公司等.下面以美国IR公司为例,介绍其主要电子镇流器用控制集成电路、相关设计软件.
    美国国际整流器公司(IR)主要有以下型号的新型高频交流电子镇流器控制集成电路,它们分别为: IR21571、IR2159/IR21591、IR2167、IR2153、IR2156等型号.它们分别用于以下场合:
①IR21571:驱动600V MOSFET的荧光灯和高强度放电灯(HID)的电子镇流器驱动控制集成电路.
②IR2159/IR21591:调光控制和600V MOSFET驱动控制功能合一的电子镇流器控制集成电路.
③IR2167:具有PFC功能的高集成度,600V MOSFET驱动控制集成电路,常用于荧光灯和高强度放电灯(HID)的驱动控制.
④IR2153:IR2153/IR2151驱动控制集成
电路的改进型,用以驱动半桥功率变换级.
⑤IR215振荡频率可偏程和用于高压半桥驱动.
⑥IR2153、IR2156:常用于卤素灯的控制驱动.
下面以IR21571、IR2159/IR2157为例介绍其主要功能.如表1所示.
表1 常用IR 电子镇流器IC特点
特 点 型 号
IR21571 IR2159/IR2157
启动功率低 √ √
电源供电稳压二极管保护 √ √
600V半桥驱动 √ √
工作频率可编程控制 √-
死时间控制 √ 固定
闭环调光 √-
模拟调光接口 √-
过流保护 √ √
故障保护 √ √
过温保护 √ √
邻近谐振保护near resonance protection √ √
自动再启动关断 √ √
功率因数校正- -
电源供电电压稳压- -
DIP和SOLC封装 16 16
(六) IR公司的相关设计软件
    美国IR公司为了方便它的IC使用和高频交流电子镇流器电路设计,它推出了相关设计软件,软件具有以下特点:
IR公司的相关电子镇流器设计软件具有以下功能和相应设计步骤:
1、设计步骤:
(1)对给定的电路类型和输入电压范围,可生成相应的电路图、元件表和印刷电路板图.
(2)良好的图形设计界面,可给出电子镇流器的电参数、元件值和整个电子镇流器的相关文件.
2、主要特点:⑴三步设计流程;⑵灯型号流览;⑶设计流览;⑷良好的显示界面;⑸电子镇流器工作点的计算;⑹电子镇流器工作点的图形表示;⑺Windows的图形显示界面;⑻ LC谐振腔元件参数计算;⑼PFC元件参数计算;⑽IR21571外围相关元件参数计算;⑾电路图;⑿元件清单;⒀PCB图;⒁电参数图;⒂元件参数表.
灯的选择和电路基本设计选择主要包含:
    灯的选择含以下内容:灯型号、灯功率、灯管工作电压、最大灯管预热电压、灯管最小点火电压、预热电流、预热时间(秒).
    基本设计选择含以下内容:最低电源电压、最大电源电压、预热直流总线电压、启动点火直流总线电压、直流工作总线电压、PFC工作频率、镇流器工作频率.并且BDA软件有两种工作方式:
1．标准3步法(含以下步骤):选灯型、选择电路形式、自动生成设计结果.
2．高级工作方式(含以下设计步骤):
①工作点计算和IR21571外围元器件计算;
②允许预先设定所要求参数值;
③设计灵活,方便.
(未完待续)