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电子镇流器线路图大全1________浅析新型逆变式电子镇流器工作原理与设计方法(组图)发布日期2005-2005-09-10 文章来源谢勇张纳敏照明工程师社区 浏览次数15387 摘要介绍一种新型逆变式电子镇流器电路结构,该电子镇流器利用电感、电容和二极管构成的辅助电路实现输入电流波形的校正并使功率开关管工作在零电压开关状态,具有高功率因数、高工作效率、低波峰系数和电路结构简单的特点分析了电路的工作原理,介绍了电路参数设计方法,给出了实验结果 1引言 由于电子镇流器具有较高的灯光效、高的功率因数、重量轻、无闪烁、无噪声和使用电压范围较宽170~270V等优点,在我国已得到广泛的应用电子镇流器功率虽小,但使用量极大因而其性能好坏直接影响到节电效果和对电网污染的程度本文介绍的电子镇流器不但性能好,而且电路结构简单,成本低,具有较好的应用前景 2电路工作原理分析 2.1电路结构 新型逆变式电子镇流器主电路如图1所示,图中CS为隔直电容,虚线所包围的部分为实现高功率因数而附加的电路,电感L为一个能量传输者传递着电流,同时也起着提高直流电压和电流波形校正的作用两个电容Cx、CY为两个小型能量槽储存一部分能量,这两个能量槽在高频方式下完成充放电功能两个二极管VDx、VDy引导电感电流进入电解电容C或负载回路由于附加能量处理单元的作用,使整流二极管导通角增大到180°电感L中的电流是一个高频振荡波形,其平均值电流跟随输入电压的波形,从而达到功率因数校正的目的R
1、C
1、双向触发二极管VD4为触发启动电路 2.2工作过程 为了分析方便,输入电压和整流桥被等效成Urect和VDr表示,其中Urect=Uimㄧsinωtㄧ,Uim为输入电压峰值,ω为输入交流电压频率灯负载回路等效成一个电流源电路,其电流表达式为iot=IomsinωotIom为负载电流幅值,ωo为功率管开关频率由于逆变电路开关频率远比输入交流电压频率高,在分析过程的每一开关周期中可认为输入电压是近似不变的又由于该逆变电路在输入电压峰值附近和输入电压瞬时值较低时的工作状态略有不同,分析时按两种情况讨论对应的等效电路图及工作波形图分别如图2和图3所示 第一种工作情况这种工作情况对应于输入电压瞬时值较低时的工作状态整个工作过程分五个阶段,此种情况下Ucx最大值低于电解电容C两端直流电压Udc,而且电感电流iL是断续的 1第Ⅰ阶段功率管VF2导通并同时通过iL及iO电流,Cx被iL充电,而CY电压被箝位于零,在这一阶段结束时,电感电流谐振到零,Cx上电压达到最大值,VDr和VDy关闭 2第Ⅱ阶段负载电流流过功率管VF2,iL保持为零在这一阶段结束时,关断VF2 3第Ⅲ阶段VF2关断后,Cx通过负载回路放电,Ucx下降 4第Ⅳ阶段随着Ucx的下降,当整流电压高于Ucx时,VDr导通,入端电流通过电感开始对CX和CY充电由于Cx中放电电流大于充电电流,因此Ucx继续下降直到零为止,此时VD1导通 5第V阶段VD1导通后,VD1中流过的电流为负载电流与电感电流之差,随着负载电流的减小和电感电流的上升,在这一阶段结束时,VDl续流结束功率管VFl开始导通进入后半周期由于后半周期工作与前半周期相似,不再详述 第二种工作情况此种工作情况对应于输入电压在峰值附近时的工作状态整个工作过程分四个阶段,在这种情况下,Ucx的最大值能达到电解电容C两端直流电压Udc,电感电流是连续的 1第1阶段VF2导通,在此之前Cx上电压已经升高并钳位于Udc因为C比Cx大得多,所以电感电流都经C通过,因此VF2仅仅通过负载电流在这一阶段结束时,关断VF2 2第Ⅱ阶段VF2关断后,CX中能量向负载放电,电感电流向Cy充电由于此阶段为输入电压的峰值附近,所以电感电流也处在峰值附近,对CY的充电速率加大在此阶段中Ucx与UCY之和接近于但小于Udc而在本阶段结束时,Ucx与UCY之和达到Udc,使VDy导通 3第Ⅲ阶段VDy导通后,使电感电流通过C形成通路而Cx又通过负载回路放电,在这一阶段结束时,Ucx已降为零,UCY升到Udc,使VD1导通 4第Ⅳ阶段VD1开始续流,续流电流为负载电流与电感电流的差值,当VD1续流结束时,功率管VFl导通,进入后半周期 3电路工作特点 1功率管工作在零电压开关状态功率管在反并联二极管续流时开通,可以实现零电压开通功率管VF2关断时,其电流iVF2瞬间下降为零,原来流过VF2的电流转向对CX放电VF2的漏源电压为Udc减去Ucx,使VF2漏源电压以某一斜率上升,这个斜率的大小取决于CX放电速率的大小,这就保证了VF2关断时漏极电流与漏源电压交叠几乎很小,达到了零电压关断的效果 2高功率因数在每一开关周期内,电容Cx或CY先是储存能量,然后再把存储的能量传送到负载整流二极管导通角可达到半周期由于能量处理单元所储存的能量主要对电解电容C和负载放电,因此功率开关管的电流等级与普通电子整流器相同 3与普通泵式电子整流器相比,C两端直流电压偏低,有利于降低对功率管耐压的要求 4灯电流波峰系数较小 4电路主要参数计算 假设负载电流与电感电流在正半周的两个交点对应的角度分别为a,π-a根据电容上电压电流的关系可得Cx=[Iomc浅谈电子镇流器的工作原理浅谈电子镇流器的工作原理【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-boostPFC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__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_____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http://___.paper
800.com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http://___.paper
800.com/paper-103-1/,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__、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__的科研中心每年都有相关论文http://___.paper
800.com和实验报告http://___.paper
800.com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__http://___.paper
800.com/paper-74-1/和__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__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__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、_____,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、__、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__、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)、__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、、C
3、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__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__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__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2004-3-1711:24:04__
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MOSFETJ.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SEPICDC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__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、__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IR
21571、IR2159/IR
21591、IR
2167、IR
2153、IR2156等型号它们分别用于以下场合
①IR21571驱动600VMOSFET的荧光灯和__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600VMOSFET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,600VMOSFET驱动控制集成电路,常用于荧光灯和__度放电灯(HID)的驱动控制
④IR2153IR2153/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
⑥IR
2153、IR2156常用于卤素灯的控制驱动下面以IR
21571、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IR21571IR2159/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nearresonan__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1616
(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;⑻LC谐振腔元件参数计算;⑼PFC元件参数计算;⑽IR21571__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__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
三、单级高性能、高功率因数高频交流电子镇流器由于双级式高频交流电子镇流器使用元件多,__较高所以尽管性能指标好,但也难于大批量生产、使用,为了进一步简化电路,提高电子镇流器的性能指标,国内外的一些科研院所、高等院校、大公司纷纷提出了单级新型、高功率因数高频交流电子镇流的新概念、新电路,下面分别加以介绍
(一)高功率因数、低电磁幅射、具有宽调光范围的电子镇流器这种电路由__城市大学的S.Y.RonHui教授(Ph.D)提出这种镇流器具有以下特点1低电磁幅射,传导干扰低,可调光范围宽;2功率调节范围为10%--100%;3采用SEPICDC/AC变换调压;4低EMI,低电压应力;5可用于单管、多管荧光灯照明
(二)一种改进电荷泵功率因数校正(CPPFC)的电子镇流器这种电路由美国李泽元教授__的VPEC的___RongQian教授(Ph.D)和李泽元教授提出主要有以下特点1引入了电荷泵的概念、工作原理、电路;2提高功率因数的工作原理分析;3波峰比为
1.6,200V交流电压输入,效率为80%;4只用一个电感,由于电荷泵采用了一个电容,而电容又比电感在电路上好处理
(三)一种用于紧凑型荧光灯的新型自激E类电子镇流器由美国(CIevelandStateUniversity的LouisRobertNerone教授(Ph.D)提出论文和实验对点火和灯电路稳态运行进行了分析、讨论,并给出了实验结果有限流保护功能,可适用于任何Q值和占空比,__低
(四)一种改进单级电子镇流器起动特性的新方法由我国__NationalChungChengUniversity的Tsai-fuWu教授(Ph.D)和他的学生Yong-___gWu提出,并给出了实验结果这种方法主要有以下特点1、利用同步开关技术(SynchronousSwitchTechniqueSST)来改进电子镇流器的启动特性2、利用变形单级电子镇流器技术实现镇流(Single-StageInverter、SSI)3、讨论了PFC半级和逆变电路半级间功率不平衡而引入的较高电压应力对开关器件的影响4、讨论了电子镇流器的工作状态、控制策略和元件电压应力间的相互关系5、讨论了利用热阻检测电路来减小灯丝溅射的问题,并通过实验证明了这种电路灯管开关工作18000次后灯丝无明显溅射6、论文和实验电路对单级镇流电路的变化特性进行了分析,并给出了实验结果
(五)采用反激推挽集成变换器的电子镇流器该电路和实现主要由巴西federalUniversityofMinasGenais的RicardoNedersondoPrado教授(Ph.D)等人完成这种电子镇流器具有以下特点1由于采用反激式电路,所以电路简单,使用灵活;2具有隔离、自启动、单开关的电路特点;3可实现短路保护;4反激式APFC,所以具有不必使输出电压高于输入直流电压,可在DCM工作方式下,在固定导通时间控制方式下得到功率因数近似为1的效果;5由推挽变换器实现灯的高频交流供电、镇流;6仅用一级电路就可实现PFC和高频变换,实现了单开关变换,简化了电路;7通过占空比控制可实现调光
(六)基于单级高功率因数的电子镇流器该工作由巴西FederalUniversityofEspiritoSantOVitoria的__rcioAimeidaCo教授(Ph.D)及他的同事完成的它具有以下特点1单功率级,高功率因数,半桥功率逆变器工作在谐振状态;2自激振荡式,功率因数校正工作在DCM模式,输入、输出隔离;3由于工作在自激振荡方式,所以具有保护作用;4实验模型40W荧光灯、40KHZ、220V交流市电供电;5给出了实验结果和模型分析
(七)一种新型单级恒功率高功率因数电子镇流器这项工作由西班牙的UniversityofOviedoGijon大学的__nuelRico-Secades教授(Ph.D)和他的几个同事共同完成的该电子镇流器具有以下特点1由buck-boost和半桥LC谐振共同组成单级高频交流电子镇流器;2具有可调光和恒功率特性;3高功率因数(
0.98);4给出了实验电路、稳态分析、低频电路模型;5给出了设计实例、方法;6给出了实验结果
(八)基于反激变换器的单级高功率因数电子镇流器该项工作由西班牙的
3.7部分的科研课题组完成该项工作具有以下特点1、将反激变换PFC和半桥变换合为一体,作为单级高频交流电子镇流2、反激工作于恒频、恒占空比3、由于在PFC中引入了一个变压器,所以逆变器的输入电压可以设定,从而优化了逆变器的设计4、给出了实验电路、稳态分析、实验结果
四、总结通过以上的分析讨论可以看出,貌不惊人的高频交流电子镇流器的设计、制作是一个涉及电路拓扑、电子元器件选择、电路动态静态分析,电光源等多学科的一个知识密集性电子产品它主要要求在电路尽可能简单的条件下实现高效率、高可靠、低谐波成分、低电磁幅射干扰、高功率因数所以对电路设计、选型、生产提出了较高的要求随着电子技术、电子元器件、电路拓扑水平的不断提高,高频交流电子镇流器的质量、性能会不断提高回顾自20世纪70年代世界上第一只高频交流电子镇流器的面市,到今天高频交流电子镇流器广泛进入家庭、楼堂馆所的照明,印证了高频交流电子镇流器的不断发展,质量、性能不断提高的过程荧光灯电子镇流器工作原理再细探信息来源:互联网 发布日期:07-09-2023:50:25 浏览次数38编者按近年来,电子镇流荧光灯行业持续大发展,产品水平不断提高,中国在世界上作为节能灯大国的地位已经确立但要进一步成为节能灯强国,就需要对产品技术和相应的技术基础理论进行进一步的探索在对灯用三极管损坏机理的深入研讨中,笔者感到以前对荧光灯电子镇流器工作原理的描述越来越满足不了需要,其中甚至还有谬误之处,有必要对其进行更深入仔细的研究探讨为避免复杂的数学推导,文中用较多的实测波形图加以说明电子镇流器工作最基本的原理是把50Hz的工频交流电,变成20~50kHz的较高频率的交流电,半桥串联谐振逆变电路中,上、下两个三极管在谐振回路电容、电感、灯管、磁环的配合下轮流导通和截止,把工频交流电整流后的直流电变成较高频率的交流电但是,具体工作过程中,不少书刊都把谐振回路电容充放电作为主要因素来描述,甚至认为“振荡电路的振荡频率是由振荡电路充放电的时间常数决定的”实事上,谐振回路电容充电和放电是变流过程中的一个重要因素,但___振荡电路的振荡频率就是由振荡电路的充放电时间常数决定的,电路工作状态下可饱和脉冲变压器(磁环)磁导率变化曲线的饱和点和三极管的存储时间ts是工作周期的重要决定因素三极管开关工作的具体过程中,不少书刊认为“基极电位转变为负电位”使导通三极管转变为截止,“T1(磁环)饱和后,各个绕组中的感应电势为零”“VT1基极电位升高,VT2基极电位下降”;然而,笔者认为实际工作情况不是这样的1、三极管开关工作的三个重要转折点1.1、三极管怎样由导通转变为截止——第一个转折点如图1所示,不管是用触发管DB3产生三极管的起始基极电流Ib,还是基极回路带电容的半桥电路由基极偏置电阻产生三极管VT2的起始基极电流Ib,三极管的Ib产生集电极电流Ic,通过磁环绕组感应,强烈的正反馈使Ic迅速增长,三极管导通,那么三极管是怎样由导通转变为截止的?实践证明,三极管导通后其集电极电流Ic增长,其导通转变为截止的过程有两个转折点,首先是可饱和脉冲变压器(磁环)磁导率μ的饱和点图2中,上面为磁环磁化曲线(B-H)及磁导率μ-H变化曲线,μ=B/H,所以μ就是B-H曲线的斜率开始时μ随着外场H的增加而增加,当H增大到一定值时μ达到最大,其最大值为μ-H曲线的峰值,即可饱和脉冲变压器磁导率的峰值此后,外场H增加,μ减小在电子镇流荧光灯电路中,磁环工作在可饱和状态,在每次磁化过程中,其μ值必须过其峰值在初期,可饱和脉冲变压器(磁环)磁导率随着Ic的增长而增长(图2);Ic增长到一定值,可饱和脉冲变压器的磁导率μ过图2中峰值点,磁环绕组感应电压V环=-Ldi/dt,而磁环绕组电感量L=μN2S/ι(此公式还说明了磁环尺寸在这方面的作用),也就是说磁环绕组感应电压与可饱和脉冲变压器(磁环)磁导率μ成正比,磁环绕组感应电压V环过峰值(关于磁环绕组内电流的情况在后文说明,这里先以实测波形图说明),三极管基极电流Ib同步过峰值(图2、图3),图2下半部分为三极管Vce、Ic、Ib波形图,图2上半部分和下半部分有一根垂直的连线,把基极电流Ib的峰值点和可饱和脉冲变压器的磁导率μ的峰值点连到了一起,这是外部电路改变三极管工作状态的重要__点,也就是三极管由导通转变为截止的第一个转折点随着V环的下降Ib也下降,但这时基区内部的电压仍然是正的,当磁环绕组感应电压V环低于基区内部的电压时(基区外电路所加电压下降到低于基区内部的电压,但仍然是正的),少数的载流子就从基区流出,基极电流反向为负值Ib2(图3深色曲线2);图3显示了三极管基极电流Ib峰值(深色曲线2)和磁环绕组感应电压峰值(浅色曲线1)是同步的,过峰值后基极电流反向为负值在这期间,基区电流(称为IB2)是负,但是Vce维持在饱和压降Vcesat(图4浅色曲线1),而Ic电流正常流动(图4深色曲线2),这时期对应存储时间(Tsi)在这段时间Vbe始终是正的,但是基区电流(称为IB2)是负的有的书上说导通管的关闭是因为其基极电位转变为负电位,也有的说“T1(磁环)饱和后,各个绕组中的感应电势为零”,这不符合实际情况,从波形图上我们可以清楚地看到这段时间Vbe始终是正的导通管的基极电位转变为负电位是在Ic存储结束,流过磁环绕组的电流达到峰值-Ldi/dt等于零的时刻之后,而不是在Ic存储刚开始的时刻不少书刊说导通管的关闭是因为其基极电位转变为负电位,这里多加几幅插图来说明从图5可以看到在整个三极管集电极电流Ic导通半周期内,其基极电压Vbe都是正的,一直到Ic退出饱和开始下降;从图6可以看到在整个三极管集电极电流Ic导通半周期内,其磁环绕组感应电压V环也都是正的,一直到Ic退出饱和才开始下降变负比较图5和图6可以看到在三极管集电极电流Ic接近最大值,也就是三极管进入存储工作阶段时Vbe>V环,这也可以用来解释IB2是负值的原因基极电流反向为负值是因为三极管进入存储工作阶段时Vbe>V环,但是,由于V环是正的,所以基极电流反向电流是“流”出来,而不是“抽”出来的磁环次级绕组电压是由流经电感的电流-di/dt所决定,过零点在峰值点,即电流平顶点(图7);经过电感流向灯管的电流IL,在磁环绕组和扼流电感上产生感应电压,其过零点为IL的峰值顶点(di/dt=0)(图8),这里也可以看到V环变负的真正时间
1.2三极管从存储结束退出饱和,到三极管被__关断(tf)——第二个转折点及第三个转折点(1)三极管进入存储时间阶段,Ib变为负值并一直维持(图4浅色曲线A);三极管存储结束退出饱和当Ib负电流绝对值开始减小的时刻(图4浅色曲线A),也就是Ic存储结束开始减小(图4深色曲线2),Vce离开饱和压降Vcesat开始上升的时刻(图4浅色曲线1),这也就是三极管由导通转变为截止的第二个转折点整个过程也由两部分组成,开始很快降低,后面还有很长一段电流很小的拖尾当没有残余电荷在基区里面时,IB2衰减到零,而Ic也为零,这是下降时间,三极管被__关断,BC结承担电路电源电压,一般应为310V左右(图4浅色曲线A上毛刺对应的时刻浅色曲线1Vce值为314V))也就是三极管由导通转变为截止的第三个转折点在第二个转折点到第三个转折点这段时间,Vce离开饱和压降Vcesat,开始上升到电路电源电压(图4浅色曲线1)(2)电感电流IL与上下两个三极管集电极电流Ic1、Ic2的关系,C3R2的作用(关断过程之二)在第二个转折点与第三个转折点之间Ic1Ic2的波形有一个缺口,IL波形没有缺口三极管Ic存储结束,电流开始快速下降,后面还有很长一段电流很小的拖尾;这时另一个三极管仍然是截止的,还没有开始导通,这样就会造成一个电流缺口(图9)但是电感L上的电流是不可能中断的,这个缺口由上管CE之间的R2C3的充放电电流来填补(图10)上管从Ic存储结束,Vce开始上升,整个过程也由两部分组成,开始很快降低,后面还有很长一段电流很小的拖尾,Vce从零上升到310V,C3也得充电到310V,其充电电流即为填补缺口的那部分电流(图10),电感L中的电流得以平滑过渡Vce从零上升到310V,C3也得以充电到310V的那一时刻,其充电电流被关断VT1从截止转为导通时,R2C3放电,其放电电流填补电流缺口对于这一点,有的书上是这样说的“C3R2组成相位校正网络,使输出端产生的基频电压同相”说的应该就是这个意思R2C3的存在,实际上也避免了两个三极管电流的重叠,即一个三极管尚未关断,另一个三极管已经导通,所谓“共态导通”的问题,提供了一个“死区时间”
二、三极管是怎样由截止转变为导通的?有的书刊上说是三极管基极通过磁环次级绕组“得到正电位的激励__电压而迅速导通”,实际上从三极管Ic存储结束的这一时刻开始,磁环次级绕组的电压即过零开始变为正电位,但是直到VT2被__关断那一刻以前,VT1一直没有开通图5、图6中可以清楚地看到三极管产生集电极电流Ic的时刻__于基极电压Vbe(磁环绕组感应电压V环)变正的时刻这一段时间确切地说,三极管产生集电极电流Ic(开始开通)的准确时刻应该是另一个三极管被__关断的时刻从整个电子镇流荧光灯电路来说,这也就是前面所说三极管由导通转变为截止的第三个转折点从时间上来说三极管产生集电极电流Ic(开始开通)的准确时刻也就是R2C3上的充放电电流终了的时刻,而这个时刻也正是另一个三极管被__关断的时刻从波形图上看,三极管产生集电极电流Ic(开始开通)的时刻,正是电感L两端电压的峰值点(图11)另一管Ic的开通电感L中的电流不能突变,而此时Vbe已为正,三极管产生一个反向电流,此时也正好是电感L两端电压的峰值点(图11)___在电子镇流荧光灯电路中三极管的上升时间tr我们不予以__?从上面对三极管集电极电流Ic的开通过程就可以得到答案在这里,三极管集电极电流Ic的上升过程不符合三极管的上升时间tr的定义,因此tr在这里也就失去了它原来的意义由于从三极管Ic存储结束的这一时刻开始,磁环次级绕组的电压即过零开始变为正电位,但是在R2C3上的充放电电流终了那一刻以前,正常情况下VT1一直没有开通;必须注意的是,当线路调整不好的时候,Ic会产生一个有害的毛刺2三极管集电极电流Ic初始值的讨论带电感负载的开关三极管,在三极管关断时因电感产生反电动势会收到一个高电压但是,在目前国内大量采用的电子镇流荧光灯半桥电压反馈电路中,开关三极管电压的选择,是不考虑这个反电动势的;在实际生产中,用世界上最好的示波器去观察,也看不到高于整流滤波后电源电压的波形;对于灯用三极管设计生产厂家来说,三极管的电压参数选取得是否合理,关系到如何真正做到“低成本、高可靠”;如果不切实际地把三极管的电压参数选高了,用户最需要的电流特性就会受到影响那么,电路中的这个反电动势,是通过什么渠道泄放掉的?在R2C3上的充放电电流终了后,实际上就是通过三极管集电极电流Ic初始值泄放的(三极管CE并联反向二极管的话,这个初始值被二极管分流一部分)由于电感L中的电流不能突变,三极管集电极电流Ic的初始值必须和R2C3上的充放电电流终了值一致R2C3上的充放电电流的初始值在数值上与另一个三极管Ic的关断终了值一致,但方向相反;而R2C3上的充放电电流的终了值与初始值相差不大,三极管集电极电流Ic一个很大的负电流初始值____来的这个很大负电流的流经方式要分四种情况讨论 (1)三极管BE并联反向二极管-三极管BC结(图12); (2)三极管CE并联反向二极管(图13); (3)三极管BE、CE同时并联反向二极管(图14); (4)三极管BE、CE都没有并联反向二极管(图15)在这四种情况中,我们首先讨论第一种情况从图12、图16可以看到,流经三极管集电极的电流Ic从三极管BE之间的二极管流过(图16)三极管集电极-发射极电压Vce加的是负电压,三极管反向工作在这以前,人们一直在三极管的关断功率损耗上做文章,降低三极管的关断功率损耗,以提高可靠性其实三极管反向工作这一段时间的反向功率损耗也应该引起足够的注意,因为这一段时间三极管上的工作电压、电流、延续时间都比较可观,因此其上的功率损耗也比较可观实际生产中,不加BE反向二极管,有一定比例的三极管损坏,且是BE结损坏,就认为是三极管BE反向耐压不够,这是误解应该是负电流的流经渠道不畅造成三极管功率损耗过大第二种情况,三极管CE并联反向二极管(图13)另一个三极管__关断、R2C3充放电结束的时刻,电感IL内的电流(相当于R2C3充放电电流终了值)大部分流经VD6(VD7),少部分仍然流经三极管BC结(体现为三极管集电极电流Ic)第三种情况,三极管BE、CE同时并联反向二极管(图14)另一个三极管__关断、R2C3充放电结束的时刻,电感IL内的反向电流(相当于R2C3充放电电流终了值)大部分流经CE并联反向二极管VD6(VD7),少部分仍然流经三极管BE并联反向二极管-三极管BC结(体现为三极管集电极电流Ic)第四种情况,采用DB3触发的小功率节能灯在三极管功率余量足够时,可以不加BE反向二极管(图15),这是因为负电流有一个通过磁环次级绕组、基极电阻、三极管BC结的流经渠道(图17Ib刚开始上跳时的波形),基极回路带电容的半桥电路不能没有BE并联反向二极管采用BUL128D这一类带续流二极管的抗过驱动三极管,不要再加CE二极管三极管BE、CE并联反向二极管(基极回路带电容的半桥电路在BE并联反向二极管上还串联有电阻)对整个电路的工作状况有很大影响,特别是会对灯管起辉和三极管电流波形产生影响3Ic电流上升过程的讨论电路工作状态下可饱和脉冲变压器(磁环)磁导率变化曲线的饱和点和三极管的存储时间ts是工作周期的重要决定因素那么什么是“电路工作状态下”?其实就是那个时候的Ic电流上升过程,更准确地说是流过磁环初级绕组的电流、三极管储存阶段流过的电流这句话实际上包含了两重意思一方面肯定了可饱和脉冲变压器(磁环)磁导率变化曲线和三极管的存储时间ts的重要性;另一方面也没有否定电路其他元器件(电容、电感、灯管)对电路工作状况的重要作用(1)下管VT2刚开始导通时,电路相当于RLC串联电路加上直流电压(图18)电路电压方程 L+Ri+idt=u(各段压降之和) 电压平衡方程式是一个二阶微分方程,它的解与u的形式和u的初始条件(K接通时的u值)有关 加直流电压(图18) 电路电压方程 L+Ri+idt=U 瞬态电流分下列三种情况(图19)
①在R/2>时(过阻尼) i=e-αtshΥ.t
②在R/2=时(临界阻尼) i=te-αt
③在R/2>时(欠阻尼),根据电路的实际工作情况,符合该式 i=e-αtsinβ.t (振荡频率f=) 尽管加的是直流电压,但电路中却可能存在着振荡电流因为电路中存在着电阻,所以其振幅是衰减的(2)下管VT2截止、上管VT1导通时,电路相当于电容充电后通过RL放电(图20) 电路电压方程L+Ri+idt=0 瞬态电流为当R/2<时 i=e-αtsinβt(衰减振荡) 式中α= β= γ= U0电容上的初始电压负载电流不但受灯动态电阻RL影响,而且同时受可饱和脉冲反馈变压器(磁环)可变初级阻抗ZT、三极管存储时间ts的调制瞬态电流通过有效磁导率μe变化对电路稳态工作的控制作用有效磁导率μe高,脉冲反馈变压器初级阻抗提高,较小的电流瞬时值就可以得到足够的V环,使电路提前转换开关频率提高,电流初始值下降开关频率的下降会使得灯电流增加,灯电流增加的同时又提高了脉冲反馈变压器磁化场Hm这样,在电路负变化过程中得以实现一定程度的频率反馈可以利用电路方程进行更深入的讨论,公式本身是可信的,但如何将电路的实际工作状况转换成准确的电路模型却是很困难的要准确地描绘出流经三极管的电流变化曲线实际上是很困难的,因为它受较多因素的影响数学推导公式中的R在灯启辉后两端还并联有一个电容C;除了数学推导公式中已经提到的诸因素以外,其实三极管并不是一个单纯的开关,灯管也不是一个纯电阻R,灯丝温度、负阻特性、点火电压等因素都会严重影响电流变化曲线这里只提供了一个思路,还没有准确地描绘出流经三极管的电流变化曲线,但是作为一种定性分析,再结合实际波形图,对解决实际问题还是很有指导意义的例如三极管ts的测试,应该在什么条件下?Ic是多少,基极加什么样的电压?通过文章前面的分析,应该是比较清楚了三极管进入存储工作阶段时Vbe>V环,但是,由于V环是正的,基极电流反向电流是“流”出来的,而不是“抽”出来的所以,传统的开关三极管ts测试时加负电压抽取的方法是不符合灯用三极管的实际工作情况的磁环尺寸、磁环初级绕组圈数N在电路中的作用,通过图2也可以得到解释,H=NI,N增加H也相应增加,有效磁导率μe也相应变化,其峰值点到来的时间提前,又因为磁环绕组电感量L=μN2S/ι,V环也相应增大;而磁环次级绕组圈数与次级绕组输出电压成正比,都会对三极管IB产生影响,但是由于电流和频率之间的反馈作用,这种影响得到一定的缓和磁环有效导磁率和三极管ts配合工作的原理也可以得到一定的解释磁环尺寸对工作频率有很大影响,磁环尺寸越小就容易饱和,所以工作频率就越高三极管在灯电路中的实际工作情况与在基极加一个方波电压,再在集电极接一个纯电阻负载R这种测量三极管开关参数的概念式是不完全相同的三极管的集电极电流Ic并不完全受基极电压的控制,谐振回路其他元器件(电容、电感、灯管)对其工作状况有重要影响要进一步研讨这个问题,至少牵涉到对磁性材料、电光源领域高频工作下的低压气体放电、半导体物理、电子电路等专业知识的深刻了解和它们之间的融会贯通所以,这需要有关方面联手合作,进一步做深入细致的工作续上电子镇流器基本电路一贴电子镇流器的半桥逆变电路的工作原理描述半桥逆变电路基本形式__图中三极管VT
1、VT2组成有源半桥支路,电容C
7、C8组成无源半桥支路,半桥的中点电压为直流电压的一半,即为E/2,灯管作为负载与电感L2相串联,跨接在两个半桥中点之间VT
1、VT2是半桥逆变电路中的重要组件,起着功率开关的作用,选择时,应优先考虑其开关参数其工作原理是加上电源后,由直流电压VDCE提供的电流经R1对积分电容C5充电,一旦此电压达到并超过触发二极管VDB3的转折电压约30~40V后,该二极管击穿导通,并有电流流入VT2的基极,使VT2导通,此时,电流流经的路径为电源VC3→C7→灯丝→C6→灯丝→电感L2→磁环变压器Tr的初级绕组N3→VT2的集电极→地VT2集电极电流的增长趋势在磁环变压器的初级绕组N3上产生感应电动势,同时在其次级N
1、N2也产生感应电动势,其极性是使各绕组上用•表示的同名端为正,从而使VT2的基极电位升高,基极电流、集电极电流进一步加大,即在电路中产生如下的连锁反应这种连锁式的正反馈作用使VT2导通并饱和顺便指出,在VT2导通后,电容Cs的电荷通过二极管VD和晶体管VT2放电,其电压下降,不再使触发管导通,该支路也不再对VT2基极产生影响所以,由R
1、C5及VDB3提供的触发__只在电源接通后对VT2起触发作用在VT
1、VT2轮流工作后,其工作频率较高,VT2截止时间很短,在这样短的时间内C5来不及得到充分的充电而VT2导通后,C5又放电这样,它上面的电压是一些幅度很小的锯齿波,达不到足以使VDB3导通的电压因此,一旦电路转换,VT
1、VT2轮流导通与截止后,VDB3将不再能导通,对VT2也不起任何作用当VT2电流增加使磁环趋向饱和,各绕组感应电动势急剧下降,VT2基极电位也下降,ic2减小,在磁环变压器中将产生与ic2以增加时相反极性的电动势,即各绕组中用•表示的同名端电压为负,这样一来,VT1的基极电位上升,集电极电流ic1增加,电流的流通路径为Vc3→VT1集电极→电感L2→灯丝→C6→灯丝→C8→地流过电感L2及磁环的电流与VT2导通时的电流方向相反,并形成以下连锁反应结果,VT2迅速退出饱和变为截止,而VT1迅速由截止变为导通并饱和上述过程周而复始地重复下去,VT
1、VT2轮流导通与截止,在两个半桥中点之间形成交变的方波电压,其幅度为E/2有源半桥中点的电压由E下降到0,以后又由0跳变为E,而无源半桥中点的电压为E/2此交变电压经过启动电容C6,电感L2的串联谐振作用,其电流变为接近正弦波,并在C6两端产生了一个很高的电压其值由电感L2的Q值及电容C6值决定加到灯管上,从而将灯管启辉点亮。