（电力电子与电力传动专业论文）基于电力线载波技术的可调光电子镇流器研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 论电子镇流器以及供电系统，同时还解决了工程实现问题，为 电子镇流器绿色节能照明的大规模推广提供了可行的新方法 和技术。 本文设计了新颖的可调光电子镇流器、电子镇流器数字控 制以及基于低压电力线载波的通信方式，这些分别在论文的第 3 、4 、5 章给出相关研究结果。 1 ) 可调光电子镇流器 论文提出了一种新颖的可调光电子镇流器实现方法，使用 调节占空比的方法调节电子镇流器的亮度，替代了以往利用调 节直流电压等方法调节电子镇流器亮度。 2 ) 数字控制调节电子镇流器亮度 论文提出了一种利用单片机控制电子镇流器的亮度的方 法，这种方法不仅可以精确控制电子镇流器亮度，还可以对电 子镇流器进行实时监控。 3 ) 基于低压电力线载波的电子镇流器监控系统 论文还提出了通过市电电网作为通信媒介实现对电子镇 流器集中式的检测和控制技术。该技术省去控制线，便于现场 布线：可以灵活地组网，采用了专用的电力线载波通信芯片 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t p l 2 1 0 2 ，整个电子镇流系统具有控制方便、通信安全可靠等特 点。 本文从不同的角度对电子镇流器技术进行了探讨和研究， 尤其是它的控制方法具有独特性，不但具有重要的理论意义， 同时具有很好的应用前景。 关键词：电子镇流器，可调光，电力线载波技术，功率因数校 正，节能 北京交通大学硕士学位论文a b s n 酗c t t h er e s e a r c ho f d i m 【a b l eb a l l a s tw i t hp l cf u n c t i o n a b s t r c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y ，c o n n i c t sb e t w e e nd e m a n da n ds u p p l y i ne n e r g yr e s o u r c e sh a v eb e e na g g r a v a t e d r 0r e a l i z ee n e r g y s a v i n ga n d c o n s u m p t i o n r e d u c t i o n ，e n e r g ys a v i n gb e c o m e sas i g n i 矗c a n tp r o j e c tw i t h s t r a t e 舀cm e a i l i n g e 1 e c t r o n i cb a l l a s t ，a ne n e r g y - s a v i n gi i 曲ts o u r c eo fan e w g e n e r a t i o n ，h a sb e e nw i d e l ya p p l i e di i lt r a i l s p o n a t i o n ，c i v i li n f r a s t m c t u r e ，a i l d f a c t o r i e sf o ri t sh 勒e _ e ：i c i c n c ya 1 1 dl o n gl j f c - c y c l e h o w e ve r ，m o s to f b a l l 勰t i sn o n d i m m 曲l eb a l l a s t ，i tw a s t ei o t so fe n e 唱y s 0t h e yc a i l tb eu s e dw i d e l y t h e r e f o r e ， r e s e a r c h e r sa n de x p e n sa r e s t r e n u o u s l yw o r k i n gt od e v e l o p d i m m a b l ee l e c t m n i cb a n a s t a ne l e c t r o n i cb a l l a s tm o d e lw i m h i g h 丘e q u e n c yw a sf i r s t l yd e v e l o p e da n d t h e na n a l y s e sn u o r e s c e n c er i l n n i n gc h a r a c t e r s t h e s ec o m p u t i n gr e s u l tw e r e p l n v e di i l n s i s t e n c ew i t ha c t u a lu t i l i t y t h i si st h ef b u n d a t i o n0 ft h e o r y a l l a l y s ea n ds y s t e md e s i g n t l l i st h e s i sd i s c u s s e sb a l l a s t j l l u m i n a t i o n ，e s p e c i a l l yd i m m a b l eb a l l a s t ，f m ma n e wa 1 1 甜ew i t ht h ep u r p o s eo fs a v i n ge n e r g ya n dm a t e r i a l ，a n ds 0 1 v e st h e p r o b l e m o f e n 垂n e e r i n gr e a l i z a t i o ， p m v i d i n g n e w a p p r o a c h e s a n d t ec ：h n o l o g i e sf o r f h e f e a s i b i l i t y o f l a r g e s c a l eu t i l i t yo fe n e r g y - s a v i n g i l l u m i n a t i o n i i lt h i s t h e s i s ，t h er e s e a r c ho fn o v e ld i i l l m a b l eb a l l a s t ，d i g i t a ld i m m a b l e b a l l a s ta n dd i m m a b l eb a l i a s tw i t hp l cf u n c t i o na r ei l l u s t r a t e di nc h a p t e r 3 ，4 些塞銮望查兰塑主堂垒丝塞 些! 翌坠坚 a n d 5 1 、d i m m a b l eb a l l a s t n o v e ld i m m a b l eb a l l a s ti si l l u s t r a t e di n t h i st h e s i s ，a l s om en o v c ll i g h t n i l l g c o n t m lm e t h o di st oa d j u s t i n gd u t yr a t i oi n s t e a do fa d j u s t i n gd ca l t i t u d ea n d s o o n 2 ) d i g i t a ld i m m a b l eb a l l a s t 1 m s 也e s i su s em c ut 0c o n t l ml i 蛐gl e v e l ，w h i c hi sc o n v e i i i e n ta n d p r e d s et oa d j u s tl i g h t n i n g ，a l s ou s i n gt l i i sm e t h o dc a nm o n i t o rb a l l a s ti nt j m e 3 、d i m m a b l eb a l l a s tw i n lp l cf i i n c t i o n t h i st h e s i si l l u s t r a t c san o v e lt e c h n o l o g yo fc o m m u n i c a t i o nt h m u g ht h e m a i n sl i n et oa c h j e v ec e n t r a l i z e dd e t e c t i o na n dc o n t r o lb a l l a s t i i lt h i ss y s t c m ， c o n t m lw i r c sa r eu i l i l e c e s s a r ya i i d f i e l dw i r i n gi sc o n v e l l i e n t h i ss y s t e m u s e ss p e c i a lp l ct r a n s c e i v e rc h i pp l 2 1 0 2f o rn e x i b l ec o m m u l l i c a t i o na n d n e t w o r kb u i l d i n g 1 1 1 ew h o l es y s t e mp r o v i d e s 酽e a ta d v a n 协窑e so fs c n s i t i v c d e t e c t i o na n dr e l i a b l ec o m m u n i c a t j o n n i st h e s i sd i s c u s s e sb a l l a s ti l ld i m f e n tv j e w s ，e s p e c i a l l yi t sn o v e lc o n 仃o l m e t h o di s s i g i l i f i c a n tj t h e o r ya sw e l la si np r a c i i c e ，a n dt h e r ei sm u c h p r o s p e c to fa p p l i c a t i o na n dm a r k c t k e yw o l m s ：e l e c t r o n i cb a l l a s t ，d i m m a b l e ，p l c ，a p f c ，e n e 唱ys a v j n g 北京交通大学硕士学位论文 第一章引言 第一章引言 1 1 课题研究的目的和意义 人类走过了几千年的漫长历史过程。与此同时，照明系统也随着人 类不断向文明的迈进而向前发展。最初，原始人把萤火虫、月亮等自然 界的动物、天体作为黑夜的光源，这远远不能满足人类的需求。自从原 始人学会钻木取火之后，人类从茹毛饮血的野蛮状态下走了出来。火的 应用，使人类认识自然和改造自然的能力大大提高。在这一过程中，人 类对照明的要求越来越复杂，为了满足人们的需求，照明技术也越来越 进步，发明了多种照明用具，如蜡烛、煤油灯等。1 9 世纪末，人类开始 对电有了初步的认识。2 0 世纪初，爱迪生发明了白炽灯，就如同当初认 识火、使用火一样，是人类照明发展史上的又一里程碑。灯的出现彻底 结束了火照明的时代，人类的自身文明也迈进了一大步。在白炽灯以后， 各式各样的照明灯连续不断地出现，美丽多姿的灯具也随之而来，由此 带动了照明技术的迅速发展，人类的生活环境越来越明亮、舒适了。 随着高频照明的发展，照明系统已经进入了一个崭新的时代。灯具 的发展，镇流器的发展，控制系统的发展，照明的范围已不停留在点亮 的要求上，人类要求的照明要更加具体化、智能化，方式多种多样，而 且要节省能源，减少消耗。正是基于这样一种要求，本课题要在这一环 节开发照明的潜力，使照明系统更加贴近人类的生活，满足人们的多种 需要。 北京交通大学硕士学位论文 第一章 言 1 2 高频照明的意义 高频照明技术，即气体放电灯的高频高效化技术。所谓高频照明， 是用高频电子镇流器对荧光灯实施高频电流预热灯丝，再施高频高压脉 冲启辉灯管，随即以高频常压保持灯管正常工作。荧光灯的发光效率在 一定范围内随着频率的升高而提高。荧光灯的使用寿命与预热时间、启 动次数、灯丝温度等因素密切相关。高频启动时间可控，一次性启辉， 高频运行时阴极温度较低，阴极电压降落很小，这些特点都可延长了灯 管使用寿命。电子镇流器性能价格比较高，渐渐形成了取代电感镇流器 趋势，是今后一段时间内照明技术发展的主流。 1 3 电子镇流器技术的发展 在节能方面，除了提高照明灯的光效外，还不断改进驱动装置。早 期白炽灯不需要任何驱动装置，后来的气体放电灯具有负阻特性，需要 镇流器限流。最开始，经过多方努力，研制出具有使用价值的电感镇流 器。随着时代的变迁，人们发现电感镇流器存在诸多缺点( 如耗能、笨重、 功率因数低、有噪音等) ，已经不适应当今世界发展的潮流。随着电力电 子技术和照明技术的飞速发展，高频照明技术也很快地发展起来，电子镇 流器易实现高光效，一般可提高1 0 一2 0 ，节能是其最显著的优点。同时， 荧光灯可延长使用寿命2 5 _ 1 倍：电子镇流器低温升，为电感式荧光灯发 热量的1 2 ，为白炽灯发热量的1 5 ：低功耗，经仪器测得高频电子镇流器 的功耗，仅为灯系统总功耗的8 4 ，而普通电感镇流器高达3 0 ，节能型 电感镇流器也有2 0 左右，故高频镇流器节电率为1 0 一1 7 ，有的可高达2 5 。高功率因数，如采用无源滤波电路，功率因数为o 7 一o 8 ，如用有源滤 2 北京交通大学硕士学位论文 第一章引言 波电路，功率因数为0 9 5 一o 9 8 ，故可节约无功功率。 1 4 照明系统的发展方向 电光源工业发展经过了一个多世纪的发展，仍然以高速度进行革新， 包括了照明系统的各个方面：光源、镇流器、灯具和控制系统。它的主要 方向即：不断增加照明系统的效率，减少能量消耗，能够满足人类的照明 要求的、全新的、智能化的、人性化的照明系统。 1 5 本文研究内容 本文以节省电能、节省材料为目标，从新的角度来讨论和研究电子 镇流器照明及其供电系统，同时还解决了工程实现问题，为荧光灯绿色 节能照明的大规模推广提供了可行的新技术。 论文第二章介绍了电子镇流器的原理及作用，以及电子镇流器的发 展前景，以及电子镇流器的几个关键问题。 论文第三章介绍了有源功率因数校正电路并设计并实现了一种适合 电子镇流器使用的有源功率校正电路。 论文第四章介绍了电子镇流器逆变电路的设计，比较了几种电子镇 流器调光方法的优缺点并设计了一种数控调光电子镇流器。 论文第五章提出并研究了电力线载波通信实现监控电子镇流器的方 法，通过市电电网作为通信媒介实现对电子镇流器的集中式的检测和控 制技术，该技术省去控制线，便于现场布线：实现了用p c 机监控荧光灯， 并且在实验室实现了组网，整个系统具有检测敏感、通信安全可靠的特 点。 3 北京交通大学硕士学位论文 第二章荧光灯的结构及其特性 第二章荧光灯的结构及其特性 为了使镇流器与荧光灯参数相匹配，了解荧光灯的结构，工作原理， 灯管的主要工作特征以及荧光灯灯管的适当的模型，对于设计可调光的 电子镇流器是很有必要的。 2 1 荧光灯的结构组成 家庭及工业照明用荧光灯( 俗称日光灯) ，是一种低压汞蒸汽放电灯， 其大部分光是由放电产生的紫外线激发管壁上的荧光粉涂层而发射出来 的。图2 1 所示的直管形荧光灯结构示意图。荧光灯的核心部分是管形玻 璃管和灯丝。 电撮 图2 1 直管形荧光灯结构示意图 f i g 2 - 1s c h e m a t i ca g u r eo fs t r a i g h tn u o r e s c e n it i l b 其中，钠、钙玻璃管的内壁上涂有荧光粉。管内填充有惰性气体( 如 氨) 和低气压汞蒸汽。在灯两端各有一个电极，电极通常由钨螺旋做成， 上面涂有热电子发射材料，人们将这种涂有电子发射材料的灯丝称为阴 极。灯丝两端与被称为导丝的支架相连接，导丝又与两个引出电极相连。 导丝和喇叭管等组成芯柱，其作用是保证电导线与玻璃壳进行气密性封 接。 4 北京交通大学硕士学位论文第二章荧光灯的结构及其特性 荧光灯工作时，放电发生在低气压的汞蒸汽和惰性气体的混合气中， 产生很强的2 5 3 7 n m 的紫外辐射，经荧光粉转换成可见光。如图2 2 所示 为卤磷酸盐荧光粉制成的几种灯的荧光光谱功率分布曲线，人们采用卤 酸盐荧光粉所做的灯在波长大于6 0 0 n m 的红色区域的辐射很少，这使得灯 的显色性能较差。为了改善灯的显色性能，灯管内掺加了一些发红光的 荧光粉，但是光效却下降了。直到7 0 年代初期，在荧光灯中显色性和光 效这对矛盾一直没有解决好。随着人们对色觉的研究发现，不仅人眼的 灵敏度随波长而变，而且分辨色彩的能力也是在特定的波长处有极大值。 如图2 3 所示。可见，在以4 5 0 ，5 4 0 ，6 1 0 n m 附近波长为峰值的三个比较 狭窄的波长区域内，人眼有很强的色觉反映。这个研究改变了人们以为 只有发射连续光谱的光源才有良好的显色性这一个不完整的看法，为开 发同时具有高光效和良好显色性的光源奠定了理论基础。因而在所要求 的区域内产生窄带辐射的荧光粉( 俗称三基色荧光粉) 和新一代的荧光灯 应运而生。三基色荧光灯解决了普通荧光灯长期存在的光效和显色性的 矛盾。在荧光灯中的实际应用中，还需要考虑汞的发射谱线的贡献，蓝 粉发射的谱带为4 5 5 4 8 5 n m ，绿粉和红粉的谱带分别为5 2 5 5 6 0 n m 和 5 9 5 6 2 0 n m 。多种稀土荧光粉除了具有窄带发光的特性以外，还有能耐高 温和承受强短波紫外线辐射的能力。这些都为细管径和紧凑型荧光灯的 发展创造了良好的条件。 北京交通大学硕士学位论文 第二章荧光灯的结构及其特性 图2 2 荧光光谱功率分布曲线 f i g 2 2p a w e rd i s c f i b u t ec u e so fn u o m s c e n c e 图2 3 色觉响应曲线 f i g 2 - 3c u r v e so fc o l o r n s er e s p o n s es p e c t r u mo fn u o r e s c e n c e 2 2 荧光灯的工作原理及主要参数 在荧光灯启动点燃时，给灯管两端提供一个足够高的电压，使灯管 北京交通大学硕士学位论文第二章荧光灯的结构及其特性 内的低压汞蒸汽电离，荧光灯导通引燃。管内汞蒸汽被电子激发电离时 会产生波长为2 5 3 。7 n m 的紫外线，它被荧光灯灯管内壁上的荧光粉所吸 收，转换成光色柔和的可见光辐射出来，在灯点火后，镇流器的作用主 要起限流的作用。荧光灯的主要光电参数有：灯功率，灯管两端电压，灯 ( 工作及预热时) 的电流，光通量，额定寿命等。 2 3 荧光灯工作频率对光效的影响 电感式荧光灯一般工作在工频5 0 或6 0 h z 。当荧光灯工作的频率f 从 5 0 h z 增加到1 5 k h z 时，发现灯的光效7 也逐渐增加，然后，7 基本保持不变， 如图2 4 所示。在比5 0 k h z 更高的频率段上，叩先是减少，而到5 0 0 k h z 时 又增加。对于t 8 和t 1 2 荧光灯而言，f 以2 0 一5 0 k h z 为好，这也是目前荧光 灯电子镇流器的工作频率范围。 在对荧光灯的研究中，可以看到，荧光灯高频工作时灯的特性有 以下几点明显的变化： ( 1 ) 当f 升高时，灯的特性逐渐变成电阻性的，灯的电压和电流波形都 接近正弦波： ( 2 ) 在f 大于1 5 k h z 后，灯的光效比5 0 h z 时明显提高。 北京交通大学硕士学位论文 第二章荧光灯的结构及其特性 9 6 舛 9 2 9 0 8 8 8 6 图2 4 在功率恒定时灯的效率卵随频率f 的变化 f i g 2 - 4l a m p 出c i e n c y 叩c h a n g i n gw i t hf r e q u e n c y 因此本文以后的分析中都是以工作在高频情况下的可调光电子镇流 器来进行分析的。 2 4 荧光灯的主要特性 与其它一些气体放电灯一样，荧光灯具有负阻抗特性。典型的荧光 灯电压一电流特性曲线如图2 5 所示。 当施加于荧光灯两端的电压低于触发启动电压( v s t r i k e ) 时，灯呈 商阻关断状态，灯中没有电流通过，一旦外加电压达到了灯的点火电压 值，灯则导通，并且其两端电压立即降低，灯电流增大，呈现负阻特性。 由于外接镇流器的限流作用，使灯电流稳定在额定值，并且灯两端的导 通电压降( v o n ) 也基本保持不变。 荧光灯的触发启动电压和正常工作时灯两端的电压降与灯管长度、 灯管直径、灯管内填充气体的种类、气压与温度以及电极种类( 是冷阴极 还是热阴极) 等因素有关。荧光灯点火启动电压范围一般为5 0 0 v 1 2 0 0 v ， 灯点燃后稳定工作时的灯端的电压降一般为4 0 v l l o v 。 一泌、互vf 北京交通大学硕士学位论文第二章荧光灯的结构及其特性 工 l = ) f f 卜v m 删 7 图2 5 荧光灯灯电压一电流特性曲线图 f i g 2 5r e l a t i o n s h i p b e m e e nv - i 电 压 图2 6 荧光灯电压曲线 f i g 2 - 6v o l t a g ec u r v eo fn u o r e s c e n tl a 唧 图2 6 是荧光灯从启动后进入稳态工作时的电压曲线。从图中可以看 出，灯在启动点火时的电压很高，在点火之后，灯两端的电压急剧下降， 尔后略有升高，最后进入稳态工作状态，在这一过程中，阻抗曲线与电 压曲线是一致的。荧光灯在稳态条件下，可以等效为一个恒定不变的电 阻。 2 5 本章小节 本章介绍了荧光灯的结构，工作原理，灯管的主要工作特征以及荧 光灯灯管的模型，同时，本章还简要介绍了气体放电的原理以及荧光灯 工作频率对光效的影响。 北京交通大学硕士学位论文第三章电子镇流器有源滤波器电路设计 第三章电子镇流器有源滤波器电路设计 现有市场上的许多电子镇流器大多采用桥式整流器和大电容组成从 交流线获取直流电压，这样的做法使得该电路的谐波含量很高。这种镇 流器的大量使用，给电网带来了严重的污染。为了减小污染，比较有效 的方法是采用有源功率因数校正电路( a p f c ) 。一般有源功率因数校正电 路置于桥式整流器和大容量电容之间，其电路形式和开关电源相似，应 用电流反馈技术，使得输出端电流接近正弦，从而提高功率因数。 3 1 电子镇流器构成 本文设计的电子镇流器由e m i ，整流，有源功率因数校正( a p f c ) ，半 桥驱动芯片，半桥驱动主电路，输出回路，荧光灯等几部分组成，功能框 图见图3 一l 。 图3 1 镇流器功能框图 f j g 3 - 1b a l l a s tf u n c i i o nb l o c kd i a g r a i i l 本文采用有源功率因数校正芯片l 6 5 6 l 完成功率因数校正，采用 i r 2 1 5 9 2 作为半桥逆变电路的驱动芯片，避免了使用脉冲变压器，简化 了电路的复杂性，使得功率管的使用寿命延长。l 6 5 6 1 有源功率因数校 正芯片的使用解决了电源电流波形谐波含量的问题，保证了输送到半桥 1 1 北京交通大学硕士学位论文第三章皂子訇! ! 堕墨直源造塑皂墅塑盐 逆变电路上的电压较为稳定。 如图3 一l 所示，整个电路可以分为两级，前级为有源功率因数校正 电路，输入工频市电，输出为4 0 0 v 直流电压，并可以实现功率因数校正。 后级为半桥逆变，前级输出的4 0 0 v 直流电压经过自振荡集成电路 i r 2 1 5 9 2 和功率开关管组成的半桥逆变电路，将直流电压转换成高频交 流，驱动l c 谐振电路，从而使荧光灯工作。 3 2 有源功率因数校正的控制策略 a p f c 电源既要保持输出电压恒定，又要控制输入电流为正弦波，从 而获得高的功率因数，为了能方便地控靠4 输入电流，a p f c 电源常采用 b o o s t 电路。l 6 5 6 1 为电流准连续模式的a p f c 控制芯片，即电感电流处 于连续模式与断续模式的临界点。其工作原理如下：首先控制芯片生成 电感电流的参考信号，每个开关周期开始时m o s 管导通，电感电流线性 增加，然后将电感电流的检测信号与参考信号相比，当电感电流检测值 等于电感电流参考值时，m o s 管关断，电感电流减少，当电感电流降为 零时，m 0 s 管再导通，如此周而复始。电感电流的参考信号由系统输出 电压检测值与给定值相减，再经由p i 调节器，然后将p i 调节器的输出 与整流桥后端的b o o s t 电路输入电压波形相乘得到。由于电感电流参考 信号由电压反馈环决定，故为保持系统稳定且获得高的功率因数，电压 反馈环的带宽不宜太宽。电感电流实际为三角波，由于电感电流参考信 号为电压误差放大器的输出与整流后的b o o s t 电路输入电压波形的乘 积，且当系统稳定工作时，误差放大器的输出基本恒定，故电感电流的 包络基本为正弦波：设电感电流的包络为：ol s i ) l ，根据三角形面积 北京交通大学硕士学位论文第三章皇至焦煎壁笪塑坚塑堂皇墅堡过 公式，可得电感电流平均值i ，鱼上罢垦型，即电感电流的平均值为正弦 波。由于并联于整流桥后端的滤波电路将电感电流的高频部分滤掉，故 系统的输入电流为正弦波，且相位与电源电压一致，系统功率因数接近 l 。 3 3 有源功率因数校正芯片l 6 5 6 1 图3 2l 6 5 6 1 芯片的结构框图 f i 9 3 2b l o c kd i a g r a l i lo f l 6 5 6 1 l 6 5 6 1 芯片的结构可用方框图表示，如图3 2 所示。下面介绍l 6 5 6 1 的各个 模块。 3 3 1 过电压保护电路 过电压阈值取出电压平均值的7 ，误差放大器的典型补偿线路如图 3 3 所示。电阻焉对电路的增益有决定性的作用，它是误差放大器的一 北京交强大学硕士学位论文第三章电子镇流器有源滤波器电路设计 部分，下偏置电阻r 只是决定k 的值。然而在过压情况下，e a 输出必 须尽可能快地被降到低电平，但是狭窄的e a 带宽影响了反应速度，因而 采用o v p 。 图3 3 两种补偿线路 f 培3 - 31 ok i n do fc o m p e n s a n o nc i r 眦i l 考虑到该预调节器( m tp f c ) 能适应其他负荷性质的负载，图3 3 展示两种补偿线路，其性能用下式表示： g l m 等一 ! 兰! 刍：墨； s x e x 尼 堡。! i ! 刍：墨1 3 1 马l + s c 3 ( 墨1 + 蜀2 ) 在补偿网络中增加了电阻，使低频增益有所降低，但交叉频率时展 宽了频带，使非电阻性负载同样获得精良的值。 3 3 2 乘法器电路 该乘法器是一个单象限乘法器，它是功率因数校正的核心控制部分 ( 见图3 2 ) 。一端输入m u l t 与整流输出电压的分压电阻相连，另一端是与 内部误差运算放大器的输出端连接。在任何输入和负载条件下，乘法器 都有非常好的线性和较宽的动态范围。 1 4 北京交通大学硬士学位论文 第三章电子镇流器有源滤波器电路设计 当整流a c 电压由o v 到峰值正弦曲线变化时，乘法器输出端控制电流 传感比较器的门限，迫使通过m o s f e t 的峰值电流跟踪a c 输入电压的变化 轨迹，呈现正弦曲线。 乘法器的输出特性可用下式表示： g ：。嘉坠。缉。弘。 d m ”。”“ 3 2 上式告诉我们，乘法器的输出是两路输入相乘的结果，式中 j 0 = 0 6 2 5 ，是乘法器增益，印是误差放大器输出电压，最后一项 是3 脚上的峰值电压( 0 3 8 v ) 。 3 3 3 电流检测比较电路 电流检测比较器采用r s 触发结构，以确保在给定周期内比较出驱动 的时间，仅有一个脉冲信号出现。q 管导通的电流则有足电阻采样，当 采样电压超过乘法器的比较电平时，电流检测比较器关闭m o s f e t ，重新设 置p 1 i i m 锁存。这个锁存一直保持到段上的电压减小到零。在正常情况下， l 中的峰值电流是由乘法器控制。在a c 电压异常，或者k 输出电压达不 到设计值的情况下，乘法嚣输出和电流检测电压被箝位在l8 v ，因此最 大峰值电流被限制在，。( 。) 一1 r ，p w m 调制器的增益g 3 为： q 一惫。壶 3 3 北京交通大学硕士学位论文 第三章电子镇流器有源滤波嚣电路设计 3 4 基于l 6 5 6 1 的功率因数校正电路的设计 3 4 1 系统构成及原理 图3 4 给出了由l 6 5 6 l 构成的a p f c 电路图。图中输入交流电经整流桥 整流后变换为直流电，作为b o o s t 电路的输入，电容c 1 用来滤除电感电流 中的高频部分，降低输入电流的谐波含量；电阻r 9 和r l o 构成电阻分压网 络，用以确定输入电压的波形与相位，电容c 7 与电阻r 9 构成r c 滤波器， 用以除去3 号引脚的高频干扰信号：b o o s t 电感有一副边绕组，该绕组一 方面通过电阻r 1 将电感电流过零信号传递到芯片的5 号引脚，另一方面作 为芯片正常工作时的电源：芯片驱动信号通过电阻r 5 连到m o s 管的门极， 用以防止m o s 管的驱动信号振荡；电阻r 6 作为电感电流检测电阻，用以采 样电感电流的上升沿( m o s 管电流) ，该电阻一端接于系统地，另一端接 在m o s 管的源极和芯片的4 号引脚；电阻r 7 和r 8 构成电阻分压网络，形成 输出电压的负反馈回路；电容c 3 连接于芯片l 、2 号引脚之间，用于形成 电压环的补偿网络；电阻r 2 、r 3 电容c 2 、c 6 ，二极管d 3 ，稳压管d 2 和b o o s t 电感的副边共同构成了芯片电源，其中电阻r 3 连接于电容c 1 和芯片8 号引 脚之间，在系统通电时提供芯片的启动电压。 图3 4l 6 5 6 1 构成的a p f c 电路图 f i g 3 - 4a p f c c i r c l l 矗m a d eu p b yl 6 5 6 1 北京交通大学硕士学位论文第三章电子镇流器有源滤波器电路设计 3 4 2 功率因数电路设计参数 l 6 5 6 1 加上少数外围元件，可以构成完整的功率因数校正电路，这 个电路是一个峰值电流提升变换器，它工作在临界传导方式。 设计的a p f c 的电路参数如下：额定输出功率p = 1 4 0 w ，交流输入电压 范围为1 8 5 2 6 5 v ，开关频率2 0 一5 0 k h z ，输出电压4 0 0 v 。 一、电感l 电路工作在恒功率工作状态，由于交流侧输入电压越低，电感的电流 越大，其纹波也就越大，为了在电感电流的纹波最大值时保证b o o s t 电 路处于连续工作状态，需计算电感l 的值。 l - 叩k 。 其中k 。= 9 2 v ，假定叩= o 9 2 ，选择开关周期t = 4 0 邮 根据计算，选择l = 8 2 0 “日。 3 4 二、启动电阻玛 我们要求在输入电压为最小值时，启动电阻b 能提供启动集成电路工 作时所需要的电流，即电压达到上升阈值w + ( 一般1 5 v 左右) 时能提供 足够大的充电电流( o 6 一1 o m a ) 。一般此电流为启动电流的2 3 倍。 心s 竿 选马= 4 4 0 k 。 三、电感电流取样电阻r 3 5 照帆 叫j 北京交通大学硕士学位论文 第三章电子镇流器有源滤波器电路设计 根据电流峰值比较器内部的钳位电压为1 6 v ，由咫取样的电压不 能超过1 6 v 。 耻嘶6 6 噜 s e 选民= o 4 1 q 四、尺，、r b 的选择 根据屹瓦拿焉，2 _ 5 ，己知k ，便可选取马、民的值 选马= 9 9 8 q ，r = 6 3 4 k 。 3 4 3 实验电路波形 基于以上的系统结构分析和参数设计，我们利用p s p i c e 软件对有源 功率因数校正电路输入侧电压和电流做了仿真，仿真结果见图3 5 。 ：! ：i 蕞t 1 。“：一臻j * 善 二， i 曩栽 = 、 、疑7 量 凝糍 ；j 始f 豺 j ! 。： 曩 xj ：_ jj 、 1 8 北京交通大学硕士学位论文第三章电子镇流器有源滤波器电路设计 图卜6 输入侧电压电流波形 1 ，l0 0 v 格，l0 m s 梏；2 ，1 a 格，10 m s 格 f i g 3 - 6w a v e f o m o fi n p u tv o l 诅g e 鲫dc u r r e n t 仿真结果表明，设计的功率因数校正电路可以达到功率因数校正的 要求。 同时，我们对实际的功率因数校正电路进行了测量，图3 6 为示波 器检测到的输入侧电压电流波形，由图可见，输入侧电流很好的跟踪了 输入电压。 3 5 本章小节 功率因数校正是荧光灯设计的重要部分，本章介绍了有源功率因数 校正控制策略，提出了一种适用于电子镇流器的有源功率因数校正电路 并进行了实验验证。 北京交通大学硕士学位论立 第四章数控可闻光电子镇流器电路设计 第四章数控可调光电子镇流器电路设计 目前推出的电子镇流器大都采用a c d c a c 式结构，其中惦d c 为整 流滤波部分，d c a c 为逆变部分，同装在一个壳体里。 现有的可调光镇流器主要采用调节母线电压和调节频率的方法调节 荧光灯亮度，而调光系统主要采用模拟信号进行控制。 本章提出了一种新型的可调光电子镇流器方案，用调节占空比的方 法替代了以往通过调节母线电压或频率的方法来调节亮度，从而扩大了 调光的幅度。并且，本章提出了一种数字控制调光系统的方法，可以用 计算机控制调节每一个荧光灯的亮度。 4 1 电子镇流器逆变电路设计 电子镇流器中的逆变器部分是电子镇流器最基本也是最关键的部 分，电子镇流器逆变器的功能是产生高频电压驱动荧光灯工作。高频信 号的波形取决于逆变器电路形式的选择。 电子镇流器逆变器有不同的形式，本节介绍几种类型，重点介绍 i r 2 1 5 9 2 的半桥逆变驱动器及其设计。 41 1 几种形式的逆变器 一、回扫式逆变电路 电子镇流器用回扫式逆变器一般采用低压直流电源供电，典型的电 电子镇流器用回扫式逆变器一般采用低压直流电源供电，典型的电 路见图4 1 。 北京交通大学硕士学位论文第四章数控可调光电子镇流器电路设计 在图4 1 中，时间常数器件r 和g ，晶体管v t l 和脉冲变压器t l 的初级绕组n i 以及与w i 基级相连接的辅助绕组n 3 等，组成高频振荡 电路。荧光灯点燃所需要建立的高频电压电源通过t 1 升压获得。变压器 不仅提供正反馈触发振荡器建立振荡，将振荡脉冲升压驱动荧光灯工作， 而且还起到扼流圈的作用。变压器的初级绕组到次级绕组的局部耦合产 生漏感，对灯起到镇流的作用。 矧 图4 一l 低压回扫式逆变器 f i g 4 1l o w v o l t a g eb 咖g - b a c ki n v e n e rc i r c u i t 二、推挽式逆变电路 推挽式逆变器电路需要两只开关晶体管和一个初级侧带有中心抽 头的变压器。图4 2 是典型的推挽式逆变器电路。l l 与跨接于t 1 初级 绕组两端的电容c 2 组成谐振电路。r l 、r 2 和c l 组成启动电路，用作触 发振荡。t 1 的辅助绕组n b l ，n b 2 提供正反馈，用来驱动v t l ，v t 2 交替导 通。 北京交通大学硕士学位论文 第四章数控可调光电子镇流器电路设计 斟4 2 电流馈电推挽式逆变电路 f i g - 4 - 2c i m l i lo f p u s b - p o l cj l l v e n e rf e e db y “r n n t 三、半桥式逆变电路 半桥逆变器是最流行的逆变器类型。典型的半桥逆变器见图4 3 。 在图中，开关晶体管v t l 和v t 2 为线路的有源侧，荧光灯负载连接 在线路的有源支路和无源支路的两个中间点之间。负载电流的通路由e 和c 4 提供。墨、c 2 和吼等组成半桥逆变电路的启动电路。 图4 3 典型的电压馈电半桥式逆变电路 f i 9 4 - 3h a 擤b r i d g ei n v e n e rf e e d b yv o l t a g 。 四、用自振荡集成电路驱动的逆变电路 上面介绍的几种逆变电路均需要变压器来驱动，这些电路不能自启 动，必须依靠积分电容、触发二极管等向晶体管提供触发电流脉冲引起 北京交通大学硕士学位论文第四章数控可调光电于镇流器电路设计 振荡。这种逆变器的开关时间不理想，不利于调光和增加保护功能。如 果采用自振荡半桥驱动器，将很好的克服这些缺点。本设计采用自振荡 驱动器i r 2 1 5 9 2 驱动m o s 管。 4 ，1 2 半桥逆变器的设计 ：生! !：! _ 北京交通大学硕士学位论文 第四章数控可调光电子镇流器电路设计 设： 1 m o s 管是理想开关，没有损耗： 2 电感l 和电容c 的高频等效串联电阻忽略不计： 3 流经逆变器电路中电感l 、电容c 和负载r 的电流均为正弦波： 4 。谐振电路的q 值一般 1 2 ，并且工作频率一般在其谐振频率附近， 这时除基波以外的其他谐波以一4 0 d b 十倍频衰减，总谐波功率占总功率 r ，所以 q ， q ，且级 ，1 由4 6 可得 北京交通大学硕士学位论文第四章数控可调光电予镇流器电路设计 2 球一卦网 a 砌 式中，圪为灯管的启动电压。由于级 1 ，上式可简化为 = 庸 或 压c c 庸 4 1 3 4 1 4 启动灯管时，若选取启动频率略高于啦，逆变器在灯管启动时 ) ，电路不会进入容性负载状态。事实上，由于q 。 l ，所以在灯启 动时m - 乱。 8 关于q 值 ( 1 ) 当q 1 时，由式4 3 可知让不存在，谐振电路在整个工作频率范 围内始终呈感性，电流i 始终滞后于输入电压k 。 ( 2 ) 当q 1 时，旦随着q 值的增大而增大。 缸 i ) 当 o i i ) 当 q 时，谐振电路呈感性，电流i 滞后于输入电压k ，此时 妒 l 时，在电路设计时应选 q 。 ( 3 ) 输入电压y 变化对q 值的影响 当谐振电路的工作频率固定不变时，输入电压由k 变为k ，此时输 北京交通大学硕士学位论文第四章数控可调光电子镇流器电路设计 出灯电压由变为，由4 6 可得 q q fk 。1 1 一f 旦1 l 露j 一i j f 旦1 2 一f ，一倥2 1 当甜t 时 号一管x 毒 q 4 1 5 4 1 6 当灯管正常工作时，由于灯电流的变化引起的灯电压变化幅度非常 小，所以可以近似认为一。，上式可以变换为 垒。奠 q 4 一1 7 k 减小将使q 值增高，q 值变化的原因是由负载电阻的变化所引起 且有 旦；旦。丘 q 。 r l 4 2 电子镇流器的几釉调光方法 4 ，2 1 改变半桥逆变器供电电压调光法 4 1 8 改变半桥逆变器供电电压的方法是最常见的调光方法，这种方法有 以下特点： 1 脉冲占空比( 约o 5 ) 固定，使半桥逆变器工作在软开关工作状态， 北京交通大学硕士学位论文 第四章数控可调光电予镇流器电路设计 并可在镇流电感电流连续的工作条件下实现宽调光范围的调光( 这也可 使开关控制电路简化) 。 2 由于开关工作频率固定，所以可以比较方便的确定灯匹配电路中 无源器件的参数，可以针对给定的荧光灯型号简化控制电路设计。 3 可以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， 这样可采用低耐电压电容和m o s f e t 。 4 在很低的半桥逆变器供电电压下，电子镇流器电路将会失去软开 关特性，会出现镇流电感电流不连续的工作状态。 5 灯电流近似和d c 变换器的直流供电电压成正比，调光几乎和逆变 器的输出电压成正比，调光特性曲线如图4 6 所示。 灯功率 直流电压 图4 6 改变半桥逆变器供电电压调光法的调光特性曲线 f i g 4 - 6c u r v eo fv o l t a g ec o n t r o lm e t h o d 4 2 2 脉冲调频调光法 脉冲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，则镇流电感的阻抗增加，这样流过镇流电感的电流就会 北京交通大学硕士学位论文第凹章数控可调光电子镇流器电踌设计 f 降。 脉冲调频调光法的局限性： 1 调光范围由调频范围决定，如果调频范围不大，则荧光灯功率调 节范围也不大； 2 为了实现在低荧光灯功率工作条件下实现调光，则调频范围应很 宽( 即从2 5 k h z 一5 0 k h z ) 。磁芯的工作频率范围、驱动电路、控制电路的原 因都可能限制荧光灯的调光范围： 3 调频范围内不易实现软开关。轻载时，不能实现软开关，并使功 率开关管上的电压应力加大。硬开关的瞬态过渡是e m i 幅射的主要来源。 4 2 3 脉冲调相调光法 利用调节半桥逆变器中两个功率开关管的导通相位的方法来调节荧 光灯输出功率，从而达到调光的目的。脉冲调相法调光曲线如下图4 7 。 脉冲调相调光控制法主要有以下特点： 1 可调光至1 的灯亮度： 2 可在任意调光设定值下启动电子镇流器电路： 3 可应用于多灯应用( 如灯的群控) 场合： 4 调光相位一灯功率关系线性好： 这种调