（光学工程专业论文）无极灯电源中磁路优化设计研究.pdf

学科：光学工程 无极灯电源中磁路优化设计研究 摘要 无极灯是诞生于上个世纪9 0 年代的新型光源，以其高光效、长寿命、高显色性、高 色温及绿色环保等优点，被广泛应用于超市、公共照明和道路照明等领域。与传统电光源 相比，其有效光效高达8 0 1 m w ，寿命达1 0 万小时，显色指数高达8 0 r a ，工作频率2 2 m h z 以上，几乎消除频闪现象，具有其它电光源无法比拟的优势。伴随着无极灯的上述优势的 同时，由于无极灯电源中对元器件有较高要求，如对磁性元件及相关器件参数的匹配等问 题，限制了它的大规模生产，造成相对成本较高。本课题在此背景下展开降低无极灯电源 成本，产品稳定性的应用研究。 无极灯电源由高频发生器、功率耦合器和泡体三部分组成，高频发生电路是构成无极 灯电源的核心电路，其中的磁性元件又是高频发生电路中谐振电路的关键器件之一。然而 在实际应用中，由于磁性元件及相关器件参数的离散性，造成谐振电路工作不稳定、磁性 元件发热大本文在对无极灯电源拓扑结构与高频发生电路拓扑结构分析的基础上，结合 双级式拓扑结构、并联谐振串联负载拓扑结构及自激启动的方式，对高频发生电路进行了 理论分析及模拟仿真，得出以下结论：1 ) 高频发生电路中的电感、电容及电阻均影响电 路的谐振状态；2 ) 高频发生电路中的磁性器件在不同工作条件下其产热量不等，必须注 意电感器件的发热问题；3 ) 通过e w b 软件仿真，验证参数取值；4 ) 通过相对光度测量， 对高频发生器中谐振电路参数进行实验验证，实验结果表明，该电光转换稳定性相对测试 系统可用于评估无极灯电源稳定性；5 ) 采用正交实验方法，确定高频发生电路中相关参 数离散化的最佳取值。 本课题完成了高频发生器中磁性元件及相关器件参数的离散实验和电源稳定性测试， 对磁性元件及相关器件参数范围确定如下：电阻2 4 0 - 4 3 0 q ，电容2 4 0 - 4 7 0 p f ，高频变压 器初级绕组感量1 6 9 1 8 9p h ，次级绕组感量1 13 1 2 3 i h ，电源稳定性在0 5 , - 0 7 ， 在此参数离散范围内，高频发生器中磁性元件发热量有所降低，电源功率因数均在0 9 以 上，电源固有频率和振荡回路工作频率基本匹配，电源能量传输效率较高。其次完成了无 极灯电光转换稳定性相对测试系统的搭建，其实验结果符合国家计量规则j j g 2 1 1 2 0 0 5 一级性能要求；最后采用正交实验法优化电源高频发生器中磁性元件及相关器件参数，给 出了最佳参数匹配组合，电阻2 4 0 f 2 ，电容2 4 0 p f ，高频变压器初级绕组感量1 7 3 日， 次级绕组感量1 1 7 j u 日，电源稳定性o 5 ，以及对电源性能起主要影响的因素。 关键词：无极灯；高频发生器；高频变压器；电子镇流器；光电池 t h er e s e a r c ho f o p t i m i z a t i o nd e s i g no fm a g n e t i cc i r c u i tf o r e l e c t r o d e l e s sd i s c h a r g el a m pp o w e r d i s c i p l i n e ：o p t i c a le n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ：认 1 a b s t r a c t t h ee d l ( e l e c t r o d e l e s sd i s c h a r g el a m p ) w a so n eo ft h en e wl i g h ts o u r c e si n v e n t e di nt h e 19 9 0 s w i t hi t s u n i q u ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sh i g hl u m i n o u se f f i c i e n c y , l o n gl i f ec y c l e ，h i g h c o l o rr e n d e r i n g ，h i g hc o l o rt e m p e r a t u r ea n dg r e e ni n i t i a t i v ep r o d u c t s ，e d lw i l lb ep l a ya n i m p o r t a n tr o l ei nt h el i g h t i n gm a r k e ta n db e e nu s e di nt h ec i v i le n g i n e e r i n gf i e l d si n c l u d i n g s u p e rm a r k e t s ，p u b l i cp a l a c e sa n dr o a di l l u m i n a t i o n h o w e v e r ，c o m p a r i n gt ot h ee f f e c t i v e l u m i n o u se f f i c a c yo fu pt o8 0 1 m w , t 1 1 e1 i f ec y c l eo fu pt o10 0 ，0 0 0h o u r s ，c o l o rr e n d e r i n gi n d e x a sh i g ha s8 0 r aa n dv i r t u a l l ye l i m i n a t i n gs t r o b o s c o p i cp h e n o m e n o n ，u n d e rah i g ho p e r a t i n g f r e q u e n c yo f2 2 m h zo rm o r e ，e d li si nau n i q u ep o s i t i o ni nt h ea p p l i c a t i o n sa m o n gt r a d i t i o n a l e l e c t r i cl i g h ts o u r c e sm a r k e t a l o n gw i t ht h ea b o v ea d v a n t a g e so fe d l ，t h ec o m p o n e n t si n p o w e rs u p p l ym u s tb ei nh i g hq u a l i t ya n dc h a r a c t e r s ，s u c ha sm a g n e t i cc o m p o n e n t sa n dr e l a t e d p a r a m e t e r sa n ds oo n ，w h i c hd e t a i nt h e i rm a s sp r o d u c t i o n ，a n dc a u s e db yr e l a t i v e l yh i g hc o s t ， l i m i ti t s a p p l i c a t i o n s ot h ep a p e rs t a r t e dt or e d u c ep o w e rs u p p l yc o s ta n dp r o d u c ts t a b i l i t y r e s e a r c ha g a i n s tt h i sb a c k g r o u n d t h ee d li sc o m p o s e do ft h eh i g hf r e q u e n c yg e n e r a t o r , p o w e rc o u p l e ra n dl a m p ，a n dt h e c o r ep a r to fe d li st h eh i g hf r e q u e n c ye l e c t r i c a lc i r c u i ti nw h i c hm a g n e t i c c o m p o n e n ti so n eo f t h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t so ft h er e s o n a n tc i r c u i t h o w e v e r ，i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，m a g n e t i c c o m p o n e n t sa n dr e l a t e dp a r a m e t e r so fd i s c r e t e n e s s ，r e s u l t i n gi nr e s o n a n tc i r c u i tc a n tb ek e p ti n as t a b l es t a t ea n dm a g n e t i cc o m p o n e n t sw i l lt u m t ob ew a r ma n dh e a t e d i nt h i sp a p e r , b a s e do n t h e o r e t i c a la n a l y s i so fe d l p o w e rs u p p l yt o p o l o g y , h i g hf r e q u e n c yg e n e r a t o rt o p o l o g y , a n d c o m b i n e dw i t ht w o s t a g et o p o l o g y , p a r a l l e lr e s o n a n ts e r i e sl o a dt o p o l o g ya n ds e l f - e x c i t e dt o s t a r tt h ew a y , h i g hf r e q u e n c ye l e c t r i c a lc i r c u i ti sa n a l y z e da n ds i m u l a t e di nd e t a i lt h ef o l l o w i n g c o n c l u s i o n sa r el i s t e da sf o l l o w s ：1 ) t h ei n d u c t a n c e ，c a p a c i t a n c ea n dr e s i s t a n c ei nt h eh i g h f r e q u e n c ye l e c t r i c a lc i r c u i tw i l la f f e c tt h er e s o n a n ts t a t eo ft h ec i r c u i t 2 ) t h eh i g hf r e q u e n c y e l e c t r i c a lc i r c u i to fm a g n e t i cc o m p o n e n t si nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h eh e a tg e n e r a t e d f r o mt h em a g n e tc o m p o n e n t si sd i f f e r e n t ，s oi n d u c t i v ed e v i c e sm u s tb eg i v e ne n o u g ha t t e n t i o n i no r d e rt os o l v et h i sk i n do fp r o b l e m 3 ) a l lp a r a m e t e r sa s s o c i a t e d 晰t l lv a l u e so fc o m p o n e n t s a r et ob ev e r i f i e db ye w bs o f t w a r es i m u l a t i o n 4 ) b yu s i n go ft h er e l a t i v em e a s u r e m e n t ，t h e r e s o n a n tc i r c u i tu n d e rh i g hf r e q u e n c ya n dp a r a m e t e r sw e r et ob es i tu pt h r o u g he x p e r i m e n t ，t h e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t h o dc a l lb eu s e dt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo fe d l p o w e rs u p p l y 5 ) t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a lm e t h o dw a st ob eu s e dt od e t e r m i n et h eb e s t d i s c r e t ev a l u e su n d e rh i g hf r e q u e n c ye l e c t r i c a lc i r c u i t p a r a m e t e r sw i t hd i f f e r e n tv a l u ea n dt y p eo fc o m p o n e n t sw e r es e l e c t e da n dc o m p a r e dw i t h d i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o nb a s e do ne x p e r i m e n ts u c ha ss t a b i l i t yt e s to fp o w e rs u p p l y t h e p a r a m e t e r s i nt h em a g n e t i cc i r c u i to fh i g hf r e q u e n c yg e n e r a t o rw a sd e t e r m i n e d ：r e s i s t a n c e 2 4 0 - 4 3 0f l ，c a p a c i t a n c e2 4 0 - 4 7 0 p f ，i n d u c t a n c eo ft h eh i g hf r e q u e n c yt r a n s f o r m e rp r i m a r y w i n d i n g1 6 9 - 1 8 9p 日，s e c o n d a r yw i n d i n g1 13 1 2 3p h ，a n dp o w e rf a c t o ra b o v e0 9 ，n a t u r a l f r e q u e n c ya n do s c i l l a t i o nc i r c u i tf r e q u e n c ym a t c h i n g ，p o w e rt r a n s m i s s i o nh i g h e re f f i c i e n c y t h e m e a s u r e m e n to fs t a b i l i t yo fe d lh a sb e e nb u i l tu pa n dt h er e s u l ta n dm e t h o d sc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n to ft h en a t i o n a lm e t r o l o g i c a lr u l e sj j g 2 11 - 2 0 0 5 t h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r sa n d m a g n e t i cp a r a m e t e r sm a t c ht h er a n g eo fp a r a m e t e r s f i n a l l yt h em a g n e t i cc i r c u i ta n de l e c t r i c a l p a r a m e t e r so ft h ep o w e rs u p p l yw e r eo p t i m i z e db yt h eo r t h o g o n a lt e s tm e t h o d ，a n dg i v e nt h e l l i g hf r e q u e n c y 目录 1 绪论1 1 1 研究背景1 1 2 国内外研究现状2 1 3 课题研究的意义和内容6 2 无极灯电源9 2 1 无极灯电源9 2 1 1 无极灯电源的概况9 2 1 2 无极灯电源的特点1 0 2 1 - 3 无极灯电源的拓扑结构1 l 2 2 高频发生电路拓扑结构1 4 2 3 本章总结1 5 3 无极灯电源中磁路参数匹配设计1 6 3 1 无极灯电源中磁路概况。1 6 3 2 高频发生电路设计1 6 3 3 高频发生器工作频率选择18 3 4r c d 箝位电路1 9 3 5 高频变压器设计步骤2 1 3 5 1 磁性材料2 1 3 5 2 高频变压器磁芯材料的选取2 3 3 5 3 高频变压器参数计算2 5 3 6 磁路参数匹配实验分析2 7 3 7 本章总结2 8 4 无极灯电源中磁路参数匹配研究2 9 4 1 磁路参数匹配离散实验一2 9 4 1 1 箝位电路中电容c 对电源的影响2 9 4 1 2 箝位电路中电阻足对电源的影响3 2 4 1 3 高频变压器参数对电源参数的影响3 4 4 2 高频发生电路等效电路一3 8 4 3 本章总结4 l 5 无极灯电光转换稳定性相对测试系统设计4 3 5 1 电光转换稳定性测试原理4 3 5 2 测量系统的结构4 4 5 2 1 照度计直接测量4 4 5 2 2 电光转换稳定性相对测试系统一4 5 i 5 3 信号调理电路4 9 5 4 单片机数据采集显示系统5l 5 5 电光转换稳定性相对测试。5 2 5 6 电光转换稳定性实验5 4 5 7 本章总结5 6 6 无极灯电源中磁路参数匹配优化5 8 6 1 最优化方法概述5 8 6 2 磁路参数优化5 8 6 3 总结6 3 7 结论6 4 7 1 结论6 4 7 2 展望6 5 参考文献6 7 攻读硕士学位期间发表的论文7 1 致 射一7 2 学位论文知识产权声明7 3 学位论文独创性声明7 4 1 绪论 1 绪论 高频无极放电灯简称无极灯( e l e c t r o d e l e s sd i s c h a r g el a m p ) ，是当今照明领域的一种 新型光源。由于长寿命，高显色性，高亮度，高光效，绿色环保等优点，目前已经在超市， 公共照明和道路照明等工程领域有所应用。本章将从无极灯的发展背景，国内外相关研究 成果，以及现有高频无极灯存在的问题，引出本文研究的内容和目标。 1 1 研究背景 人造电光源发展至今，大致可以分为五个时代【l 】：第一代为白炽灯，第二代为传统有 电极的荧光灯，第三代为高强度气体放电灯( h i d ) ( 包括高压汞灯，金卤灯，高压钠灯 等) ，第四代为无电极气体放电灯( 无极灯) ，第五代为大功率发光二极管( l e d ) 。白炽 灯由于发光效率低，寿命短( 约1 0 0 0 小时左右) ，耗能大，不利于节能等缺点，逐渐被新 的光源所取代，欧盟计划2 0 1 0 年全面禁售白炽灯，而我国也在“十一五”规划中，将投 入1 4 0 0 0 亿人民币作为绿色、环保、节能领域的建设。传统的有电极荧光灯目前应用比较 广泛，但与无极灯相比，存在着需要热启动电路、灯管容易发黑，寿命短( 约3 5 0 0 小时 左右) ，输出功率小，光效低等缺点，主要应用在小亮度照明领域。h i d 灯，寿命相对延 长，但也仅限于1 5 0 0 0 小时左右，其中相对较好的金卤灯光学综合性能较好，如光效较高， 亮度大等，广泛应用于广场、舞台、娱乐场所等大亮度照明场合，但是也有h i d 灯普遍 存在的问题，如电子镇流器的声谐振现象，发热量特别大。无极灯与其相比，具有高显色 性、高色温、无频闪、寿命长( 1 0 0 0 0 0 小时) 、瞬间启动等优点。l e d 是目前比较热门的 光源，它和无极灯有许多相似的特性，如寿命长、节能等，但在应用领域上各有偏重， l e d 灯单体功率小，目前主要应用于景观、装饰、显示等领域照明；而无极灯单体功率 大，主要应用于工矿和户外公共场合等大范围照明领域。表1 1 给出了无极灯与其他电光 源的特性比较1 2 训。 表1 1 无极灯与其他电光源特性比较 西安工业大学硕士学位论文 无极灯所具有的特点【s , 6 1 ：长寿命，无电极寿命的限制，不会发生电极与填充物的 反应，因此灯的寿命可长达数万小时，适用于换灯频率少，大范围照明及维护保养困难的 场所；不会因为电极蒸发或者溅射引起发光管器壁发黑，因而提高了灯的光通量维持率， 具有低的光衰，2 0 0 0 小时仅衰减约5 ；填充物的选择范围更加广阔，无电极能量损耗， 不需要电极的安装空间，使发光管更紧凑，可得到高的光效；灯的结构简单，采用高频 电子镇流器的点灯电路，易于启动和二次热启动，不受环境温度影响，因此具有快速启动 的特点，启动时间卯5 s ；泡体可设定任意光色，易于控制调光和调色，具有高的显色 指数( 可达8 0 r a 以上) 和高的色温( 2 0 0 0 - - - 6 5 0 0 k ) 范围宽；电气性能好，适用电压范 围宽，1 7 0 v - 2 6 0 v 均可启动，功率因数 o 9 以上，节能效果明显。无极灯工作频率在 2 2 3 0 m h z ，所以可视为“完全没有频闪效应”，不会造成视疲劳、更利于保护眼睛等。 无电极气体放电灯是一个跨学科的新兴的技术，涉及到电力电子技术、气体放电和发 光原理、等离子体理论、电磁场理论等许多领域。无极灯几乎汇集了不同类型电光源的所 有优点，是其他电光源所无法比拟的，所以研究无极灯照明系统有实际的应用价值以及潜 在的巨大商业价值，同时也符合国内国外关于绿色、节能照明的相关政策。目前国内外关 于无极灯照明系统方面的研究较少，因此对它的理论研究就成为广大电力电子科研工作者 的任务。 1 2 国内外研究现状 早在1 8 9 1 年，汤普森( j t h o m s o n ) 、泰斯勒( t e s l a ) 等人首次发现在高频电磁场中等 离子体能够产生光线。由于采用钨丝通电加热发光的白炽灯存在光效低、寿命短等问题， 泰勒斯、汤普森等人认识到可以避开采用灯丝而改用电磁感应的方法使荧光物质发光，灯 的寿命就不受灯丝的限制【7 j 。1 9 0 7 年，p c h e w i t t 就申请了感应无极灯原理的专利，但是 由于当时电子学技术水平的限制，所以这种灯只能在实验室存在。在过去将近一个世纪的 时间里，无极灯的发展比较缓慢，直到最近二十年才有成熟产品出现。究其原因，影响无 极放电光源发展的最主要问题是高频功率电子器件。直到二十世纪八十年代，随着半导体、 电子和开关电源技术的发展，无极放电光源的产品化才成为可能。随着二十世纪九十年代 国内外无极灯商业应用的实现，显现了潜在的商业价值和社会价值。国内的照明企业也是 一拥而上，积极的推进无极灯的发展。但是，目前无极灯的研究基本上还是由几家照明业 巨头所主导【8 。1 4 j 。 1 9 9 1 年松下公司推出了e v e r l i g h t 无极灯，( 如图1 1 所示) 并投入了日本市场，这种 感应灯没有使用磁芯进行能量耦合，而是采用外绕感应线圈式电感耦合型无电极荧光灯， 发光管为直径约3 5 - - 4 5 r n m 的球状体，外绕约3 匝线圈，当1 3 5 6 m h z 的高频电流流过时 放电发光，高频点灯线路与灯配置一体化，外加电磁屏蔽用金属网，主要用于大厦和桥梁 照明。2 7 w 的e v e r l i g h t 无电极荧光灯的光效是3 7 1 m w ，平均寿命约4 0 0 0 0 h ，主要用于 建筑物立面和桥梁照明。 2 1 绪论 金属网 感应线湖 ) ) 图1 1 松下公司的“e v e r l i g h t ” 图1 2p h i l i p s 公司的“q l ” 率耩会器 同样在1 9 9 1 年，p h i l i p s 公司的q l 无极灯也投入市场，如图1 2 所示，它的电子镇 流器放置在灯的外部，并且在梨形泡体内置中空管道，位于球形泡体的中心位置，铁氧体 磁芯绕制线圈放置于内，用于与泡体耦合能量，激发泡体发光。8 5 w 的q l 无极荧光灯 工作频率2 5 6 m h z ，光效达到7 0 1 m w ，平均寿命6 0 0 0 0 小时，可用于灯塔及道路照明。 1 9 9 4 年，g e 公司推出g e n u r a 反射式紧凑型无极荧光灯，如图1 3 所示，这是一种 电子镇流器与灯一体化的紧凑型无极荧光灯，其结构与p h i l i p s 的q l 无极荧光灯相似， 外形与反射型白炽灯相仿，无需外加灯罩也可以达到e m i 标准。2 3 w 的无极荧光灯工作 频率2 5 6 m h z ，光效达4 8 1 m w ，色温3 0 0 0 k ，平均寿命1 5 0 0 0 小时，可替代反射型白炽 灯使用。 f 2 7 灯 与r f 连接 图1 3g e 公司的“g e n u r a ” 维 氧 1 9 9 6 年，o s r a m 公司推出了e n d u r a 矩形环状无极荧光灯，如图1 4 所示，它采用闭 合放电回路，一个或多个饶有线圈的铁芯磁环绕在闭合放电管上，套在灯管上的铁芯的作 用犹如变压器的初级，而闭合的灯管的作用犹如变压器的次级线圈。该灯有功率1 0 0 w 和 1 5 0 w 两种，1 0 0 w 的e n d u r a 的工作频率为2 5 0 k h z ，发光效率7 5 1 m w ，平均寿命6 0 0 0 0 小时，光输出稳定，受温度影响小，可在4 0 温度快速启动和再启动。可用于车站、街 道、适宜于需高效而难以维修场所，特别适宜为室外高亮度液晶显示的背光源。与2 5 6 m h z 的无极灯相比，它降低了e m i 和电子镇流器的复杂度，提高了电路工作稳定性。 西安工业大学硕士学位论文 图1 4o s r a m 公司的“e n d u r a ” 应线圈 国内无极灯发展的较晚，在上个世纪初才有自己的产品，技术上和成本上都难以和大 公司匹敌，这样就形成了国外照明行业巨头所垄断的局面，不过国内并没有因此放弃对无 极灯的研制和开发，而且还有一些公司取得了较好的成果，代表性的公司有上海宏源照明 有限公司，2 0 0 3 年研发出的l v d 电磁感应灯已具有国际先进水平，而且还为自己的产品 开发了h y 4 5 0 1 ( 板桥驱动) 和h y 4 5 0 2 ( 功率因数校正) 专用驱动芯片【1 5 】。如图1 5 为 宏源的“金星”系列，4 0 w 的“金星 工作频率为2 5 0 k h z ，发光效率为6 0 1 m w ，平均 寿命6 0 0 0 0 小时。 蹶j j 鞔、，：錾霪 图1 5 上海宏源的“金星”系列图1 6 深圳格林莱的“g l ” 深圳市格林莱电子有限公司，2 0 0 1 年开始立项研发高频无极灯，随后研发出g l 高 频无极灯，类似p h i l i p s 公司的q l 无极灯如图1 6 为格林莱的g l 。1 2 0 w 的g l 高频无极 灯工作频率在2 6 5 m h z ，发光效率6 5 1 m w ，平均寿命6 0 0 0 0 小时。 福建源光亚明电器有限公司，1 9 9 5 开始研发无极荧光灯，开发出具有国际先进水平 和自我知识产权的无极荧光灯，如矩形无极灯s t 系列，环形无极灯r t 系列，如图1 7 所示福建源光的s t 和r t 系列无极灯，与上海宏源所研发无极灯类似，工作频率均为 2 5 0 k h z 。s t 系列与i 玎系列发光效率可达6 5 l 州w ，平均寿命6 0 0 0 0 小时【1 6 】。 4 1 绪论 图1 7 福建源光的“s t ”和“r t ” 国内对无极灯的应用也在逐步增加，例如：2 0 0 3 年广州恒运电厂安装了5 0 0 盏格林 莱g l 1 0 0 照明无极灯，2 0 0 5 年四川成都五桂大桥安装了5 0 盏g l 6 0 景观照明无极灯， 但是从无极灯的研发与生产来看，属于典型科技密集与产业链相结合型生产模式。其产品 规模化生产一方面有赖于产品配套：磁性材料的生产、加工；玻壳制作、磁耦合器的设计、 测试；电子产品的规模化生产、陶瓷基片的制作等。另一方面受技术研发的制约，如何保 证在诸多器件参数离散化条件下，实现产品性能最优化、生产成本的最低化。现有产品在 的问题主要表现在以下几个方面【l7 j ： 1 ) 功率有待提高 作为一种新型的绿色电光源，无极灯虽然综合性能和效果极好，可以说是汇集了多种 电光源的优点，但它的品种比较少，电功率有待提高。目前作为电光源的低气压高频无极 灯的电功率仍未突破2 5 0 w ，实际标称功率仅为1 6 5 w ，用于路灯其光通量难以与4 0 0 w 的高压钠灯或者金卤灯相匹敌。电功率的提高受到泡体腔内功率耦合器磁芯发热的制约， 导热处理成为难题，而且功率电子器件m o s f e t 的选取和高频段使用也带来一系列技术 问题。 2 ) 发光效率需提高 改善泡体的荧光材料配方和制造工艺、减少高频电源自身的功率损耗是提高系统光效 的两个途径，目前系统光效6 3 1 m w ，离散型为5 8 7 0 1 m w 左右，和我们期望的光效还有 差距。 3 ) 要防止电磁辐射，降低电磁噪音 无极灯是通过线圈的电磁感应激发灯放电发光，而泡体是环形或者梨形，其中的电流 自成回路，泡体就好比一个天线，不断向周围环境辐射出电磁干扰，无极灯工作频率越高， 灯电流越大，则辐射的电磁干扰会越大。因而在无极灯点亮附近区域，辐射噪声测试不容 易达标。 最简单的方法是采用金属网来进行屏蔽1 2 】，屏蔽程度可达8 5 ，松下公司的e e v r l i g h t 灯就是采用金属网屏蔽，p h i l i p s 公司q l 灯是采用反射镜型的屏蔽，但是g e n n r a 指出金 属网大型化会引起短路，在横向的配光也受到限制，这一问题到目前还未完全解决。 4 ) 高频工作条件下的磁损 西安工业大学硕士学位论文 无极灯虽然节能，但是发热就占了总能耗的4 8 ，泡体导热以及专用电子镇流器散 热是关键问题，泡体内腔的耦合器以及专用电子镇流器中高频发生器磁性元件工作时由于 铜损和磁芯的功率损耗( 磁滞损耗和涡流损耗) 会产生热，而泡体发光时产生的红外热量 有一部分传至泡体内腔，使泡体内腔温度升高，如果任温度上升，当温度超过磁性材料的 居里温度时，磁性材料的导磁率就会发生急剧变化，甚至失磁，导致工作回路谐振失调， 电磁激励能量降低，不足以持续维持等离子体的稳定工作，灯熄灭，因此需解决磁耦合器 与电子镇流器相关参数优化问题。 5 ) 无极灯制造成本较高 受器件参数离散性影响，为了保证产品指标，对器件参数要求较高，导致产品成本上 升，销售价格无法大幅度降低，不利于产品的市场竞争力。 6 ) 无极灯灯具的标准化 由于目前生产厂商受器件限制，玻壳不统一，缺少无极灯专用灯具，传统灯具的改造 颇为费力，配套使用较为麻烦。因此无极灯还无法直接取代传统灯具用光源，不便于产品 配套应用。 7 ) 功率测量 由于无电极荧光灯基本上是通过线圈的电磁感应激发灯放电发光，测量功率就只能通 过光通量，以及发热量来间接测量，这样并不能准确反映灯的实际功率大小，需要进一步 研究准确测量。 无极灯作为一种新型光源，在发展阶段难免会有很多问题出现，但是它与传统电光源 相比较，其综合效果远远优于其他类型的电光源，相信随着技术的改进，无极灯将会有更 广泛的发展前景。 1 3 课题研究的意义和内容 随着无极灯应用领域的不断扩大，它的经济规模正在逐步形成，因此，在发展过程中 存在着许多问题。例如，高频无极灯电源的稳定性、可靠性、寿命等受电源高频发生电路 中磁性材料影响；泡体外形、材料、填充气体、涂粉等工艺对无极灯发光效率的影响；功 率耦合器磁性材料、绕制、散热等 6 , 1 8 - 2 1 。由于高频无极灯电源工作频率大约在 2 2 3 0 m h z ，在这种频率下磁性材料的涡流损耗和磁滞损耗，以及高频发生电路中磁路 参数匹配不佳，造成高频变压器的发热量较大，铁氧体磁芯随着温度的升高，它的磁饱和 密度会下降，引起无极灯电源高频发生电路失谐，造成无极灯电光转换效率的急剧变化， 严重时可造成无极灯熄灭，因此，需要解决高频变压器磁性材料的选取，以及高频变压器 磁性材料磁参数与高频发生器电参数之间的匹配问题。本课题将要研究的是高频发生电路 中高频变压器磁性材料，及其磁参数与高频发生器电参数的匹配关系，达到优化电源高频 发生器中磁路的目的。最后通过搭建无极灯电光转换稳定性相对测量系统，对高频发生电 路中磁参数和电参数在离散误差范围的电源稳定性进行测试，并通过正交实验法对高频发 6 1 绪论 生电路中磁参数和电参数进行优化，给出电源工作性能最佳的磁参数和电参数，以满足工 业大规模生产的需要。 本课题研究流程图如图1 8 所示。 图1 8 工作框图 从课题研究工作框图，论文主要工作内容安排如下： 第一章，绪论。主要介绍课题所研究的背景和意义，无极灯的国内外发展状况，以及 本人所作的主要工作内容。 第二章，无极灯电源。无极灯由高频电子镇流器( 高频发生器) ，功率耦合器和泡体 三部分组成，其核心部分为高频电子镇流器中高频发生电路。本章主要介绍了无极灯电源， 即高频电子镇流器，并对其发展、特点，以及拓扑结构进行分析；最后对其核心部分高频 发生电路( d c a c 逆变电路) ，常用拓扑结构进行分析。为高频发生电路的改进设计提供 理论依据。 第三章，无极灯电源中磁路设计。结合双极式电子镇流器拓扑结构和并联谐振串联负 载电路拓扑结构，及自激启动方式，给出高频发生电路的改进设计原理图。高频发生电路 的改进设计包括高频变压器关断时产生的尖峰电压抑制方法研究和高频变压器设计。最 后，通过实验验证了设计理论分析的正确。 第四章，无极灯电源中磁路参数研究。通过第三章的设计分析，尽管磁路参数匹配有 所改善，但热量积聚太多很容易造成灯熄灭，需要对磁路组件做进一步的参数离散实验， 使得高频发生电路中磁路的磁参数和电参数在参数离散误差范围内能够匹配。为了更准确 的选取高频发生电路中磁路的磁参数和电参数，通过e w b 软件对高频发生电路等效电路仿 西安工业大学硕士学位论文 真，不仅确定了高频发生电路中磁路的磁参数和电参数离散范围，也证实了等效电路的可 靠性。 第五章，无极灯电光转换稳定性相对测试系统设计。由于无极灯电源稳定性是其重要 特征，需对其进行测试。通过无极灯电光转换稳定性相对测试系统的搭建，对无极灯亮度 进行测试来间接反映电源能否稳定工作，实验证明，该方法可用于评估无极灯电源稳定性。 第六章，无极灯电源中磁路优化。在无极灯高频发生电路中磁参数与电参数匹配范围 确立后，通过正交实验法对无极灯电源中磁路参数匹配进行了优化，给出最优结果以及电 源工作频率，功率，功率因数的主要影响因素。 第七章，总结。给出了论文的结论以及进一步的工作方向。 8 2 无极灯电源 2 无极灯电源 无极灯由三部分组成：高频电子镇流器、功率耦合器和泡体，其电源为高频电子镇流 器，激励方式通常采用电磁感应耦合放电的方法，电源的核心在于高频发生电路。本章首 先介绍了电子镇流器的概况及特点，并分析了电子镇流器的拓扑结构；最后对电子镇流器 核心部分高频发生电路拓扑结构做了分析。 2 1 无极灯电源 2 1 1 无极灯电源的概况 无极灯是一种新型的气体放电灯，以其高光效、高色温、高显色性、长寿命等优点， 被广泛应用于各种大范围照明环境，但是气体放电灯并不能使用通常的工频( 5 0 或6 0 h z ) 来工作，它必须和限流元件( 电子镇流器) 串联才能有稳定的工作点。对气体放电灯的研 究发现，当气体放电灯在高频下工作时，有许多低频时没有的优点，尤为显著的是随着频 率增高，发光效率增高，如图2 1 所示，给出了气体放电灯的发光效率与频率的关系；其 还有如启动电压下降、寿命更长，电子镇流器元件的体积和重量也大大减小等优点。因此， 对电子镇流器的研究就显得非常重要t 2 2 ，2 3 j 。 7 暑 = 寥 譬 li - l z 图2 1 气体放电灯的发光效率与频率的关系 2 0 世纪8 0 年代初，自飞利浦公司率先推出了由分立元器件组成电子镇流器以来，其 节能、节省铜铁材料、轻巧、无频闪，并明显提高灯管光效、寿命等特点，使得电子镇流 器有很好的商业价值、学术价值和社会效益。各国有关机构和人员竞相研究、开发、生产、 销售电子镇流器，目前主要从事高频电子镇流器开发、研究工作的国家、地区有美国( 如 美国加州理工大学s c u k 教授及他的研究生们、美国c l e v e l a n ds t a t eu n i v e r s i t y 、美国 v i n g n i as t a t eu n i v e r s i t y 的c p s e 研究中心) 、加拿大的c o n c o r d i n 大学、巴西、英国、香 港大学、香港理工大学、台湾工业研究院、北京北方工业大学、上海交通大学、哈尔滨工 业大学等，以及飞利浦、美国i r 、s t 、西门子、摩托罗拉和三星等一些半导体巨商。在 9 西安工业大学硕士学位论文 过去短短二十余年中，电子镇流器已得到长足发展和推广，迫切需求制定国际性的标准， 如i e c 9 2 8 、g b l 5 1 4 3 管型荧光灯用交流电子镇流器一般要求和安全要求和i e c 9 2 9 、 g b t 1 5 1 4 4 管型荧光灯用交流电子镇流器的性能要求。1 9 8 6 年我国才开始研究电子镇 流器，直到1 9 9 0 年才具有了一定的生产规模。自1 9 9 6 年我国开展“绿色照明工程”以来， 采用高效照明器具已成潮流，目前我国荧光灯总年产量约为五亿支左右。根据我国电子镇 流器的发展状况，国内也先后颁布了z b k 7 4 0 1 1 8 9 和z b k 7 4 0 1 2 9 0 专业标准，这些标准 中一个重要特点就是对电子镇流器的性能要求和安全要求非常严格。例如，关于电子镇流 器在“正常情况下使用时，应使灯启动，