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