（电工理论与新技术专业论文）外置电极荧光灯驱动电源的研究.pdf

外置电极荧光灯驱动电源的研究 r e s e a r c ho nt h ed r i v e rf o re x t e r n a le l e c t r o d ef l u o r e s c e n t l a m p s ( e e f l ) a b s t r a c t a so n eo fc o l dc a t h o d ef l u o r e s c e n tl a m p ( c c f l ) ，t h ee x t e r n a le l e c t r o d ef l u o r e s c e n t l a r n p s ( e e f l ) ，p r e s e n t sg o o dp e r f o r m a n c e ss u c ha sm e r c u r y f r e ee n v i r o n m e n t ，h i g hl i g h t n e s s ， l o n g e v i t yo fs e r v i c e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，i n s t a n t a n e o u ss t a r t u pa n ds oo n t h e r ew i l lb ea h u g em a r k e t s oe e f lw i l lp l a yt h em o r ea n dm o r ei m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h ef u t u r ed a i l y i l l u m i n a t i o nf i e l d t 陆sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n tb a c k g r a n da n de l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i ca b o u t e e f l t l l i ss t u d ya n a l y z e sr o y e rt o p o l o g yf r a m e sa n dh a l f - b r i d g et o p o l o g yb a s e do nt h e t h e o r yo ft 1 1 em o d e mi n v e r t e r ，a n dg i v e ss o m ep a r a m e t e r s 。a tl a s t , t w ok i n do fe x p e r i m e n t a l g o o d sa r ef i n i s h e d s ou n d e rt h ed i f f e r e n ti n p u tv o l t a g e ，t h ep a p e ra i m st ow o r ko u tt h ed r i v e r d e v i c e w h e nd cl6 2 4 vi sg i v e n ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h er o y e ra n d g i v e st h ee q u i v a l e n to ft h e w o r k i n gm o d e l 。i ta l s os t u d y st h e c o n d i t i o n so ft h eq u a s i s i n ew o r k b yu s i n gd i s c r e t e c o m p o n e n t s ，p a r a l l e lr e s o n a n ti n v e r t e ri sd e s i g n e d ，w h i c hh a st h eb u c kc k c u i tb a s e do n t l 4 9 4 a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n , i ts e l e c t e ds o m ec o m p o n e n t sa n dd e v e l o p e dap r o t o t y p e t h e e x p e r i m e n tp r o v e dt h ef e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ed e s i g n w h e na c2 2 0 vi sg i v e n ，t w oi s s u e sa r ec o n s i d e r e d i ti sv e r yi m p o r t a n tt or e d u c et h e c u r r e n th a r m o n i ca n di m p r o v et h ep o w e rf a c t o rf o rp o w e rs u p p l y n ep a p e ri n t r o u d u c e dt h e p r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep a s s i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( p p f c ) a n da c t i v ep o w e r f a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i t ( a p f c ) ，a n dp r e s e n t st h ed e s i g nm e t h o df o rs t r e a m i n gp p f cc i r c u i t , t h e c h a r g ep u m pp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i t ( c p p f c ) a n da p f cc i r c u i tb a s e do n l 6 5 6 1 b yc o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，i ta c h i e v e dt h ee x p e c t e dg o a l t h i sp a p e ra l s o e x a m i n e st h ee q u i v a l e n te e f lm o d e ld r i v e db yt h eh a l f - b r i d g ei n v e r t e rc i r c u i t ，a n da n a l y s e s t h ec o n d i t i o n so fs o f t - s w i t c ht e c h n o l o g yu s i n gs i n u s o i d a ld r i v i n gm e t h o d i ti n t r o d u c e st h e p e r f o r m a n c e ，c h a r a c t e r i s t i c s a n dw o r kp a r e m so fi r 215 71s c h i p t h e d r i v e rb a s e do n i r 2 1 5 7 1 si sd e s i g n e df o rf i v ee e f la n dap r o t o t y p ei sd e v e l o p e d 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a tt h e e e f ld r i v e rw h i c hm e e tt h et h er e q u i r e m e n t so fh a r m o n i ca n dp o w e rf a c t o ro p e r a t e sw e l la n d r e a c h st h eg o a l k e yw o r d s ：e x t e r n a le l e c t r o d ef l u o r e s c e n tl a m p s ；p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) ；r o y e r i n v e r t e r ；h a l f - b r i d g ed r i v i n g ；s o f ts w i t c h i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 丝透盛 日期：豳丝 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：垒壁壁 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 己l 吉 ji 目 外置电极荧光灯( e x t e r n a le l e c t r o d ef l u o r e s c e n tl a m p s ，简称e e f l ) 是一种新型的 气体放电灯，它是在荧光灯、冷阴极荧光灯基础上发展起来的。它具有无汞环保、超长 寿命、低功耗高亮度、低温启动等优良性能，存在巨大的市场潜力，是当前l c d 的理 想光源，在背景光源领域占据越来越来重要的地位。 ( 1 ) 课题的研究背景与意义 背景光源应用领域已经成为人们日常生活中非常重要的组成部分。在实际应用中荧 光灯即气体放电灯还是牢牢地占据着背景光源领域。现代气体放电灯主要还是普通荧光 灯、冷阴极荧光灯。但二者的放电方式是不同的。外置电极荧光灯是一种新型的气体放 电灯，是在二者基础上发展起来的，具有巨大的优势。 随着科技的不断进步，液晶显示器的时代已经到来，阴极射线管的市场份额在剧减， 背光源的用量亦随l c d 的增加而不断增加，而它的性能直接关系l c d 的“面子”问题。 随着l c d 不断“瘦身”和功耗、环保的要求，传统逆变器已显得很难适从，如何设计 高品质的l c d 背光源驱动电源，就显得尤为重要。 由于液晶显示器( l c d ) 特别是超薄膜液晶显示装置( 呵l c d ) 质量的大幅度改善 和价格持续下降使其应用范围越来越广，迅速进入了计算机显示器领域和液晶电视等领 域。背光源作为液晶显示器l c d 的一个关键组件，开发高亮度、高效能及长寿命的背 光源就变得尤为重要。继冷阴极荧光灯( c c f l ) 之后，作为超薄膜液晶显示装置 ( t f t - l c d ) 的新一代光源一外置电极荧光灯( e e f l ) 的研发越来越受到关注。背光源技 术的应用领域正从中小尺寸的产品朝着大尺寸的产品方向扩展。传统的c c f l 每一个 逆变器( i n v e r t e r ) 只能驱动一支灯管，随着灯管数量的增多，逆变器需求量也随着增加， 功率消耗及产生的热量也随之增加。e e f l 所用的逆变器，一个可以驱动多支灯管，逆 变器数量减少使背光源系统设计得到简化，同时也降低了功耗，减少了发热量，成本可 降低1 5 3 0 。直下型e e f l 背光技术的特点是亮度高，显示器用液晶面板亮度可到 4 0 0 c d m 2 以上，甚至可以达到5 0 0 c d m 2 以上，比c c f l 高出6 0 以上。 e e f l 是一种高效、节能、环保的绿色光源，符合未来照明的发展趋势。随着社会 的不断进步，作为背光源的e e f l 获得了国内外照明行业的广泛关注，特别是液晶显示 领域。 ( 2 ) 本文的主要研究内容 外置电极荧光灯的电气特性可认为等效为串联镇流电容的冷阴极荧光灯，参数模型 也是在此基础上建立的。在驱动电源的研究设计当中，都是以此模型为基础的。根据不 外置电极荧光灯驱动电源的研究 同长度的e e f l 对点火电压、工作电压的要求，驱动电源与普通荧光灯的电子镇流器是 不同的；在不同输入电压条件，满足外置电极荧光灯的正常安全工作，该应用领域属于 电能变换技术。 根据电子镇流器的常用组成部分，介绍了驱动电源研究和设计中的关键技术。在电 源技术应用过程中，谐波含量和功率因数已经成为非常重要的技术指标。在市电 ( 2 2 0 v 5 0 h z ) 输入下，外置电极荧光灯驱动电源设计也不例外，本论文介绍了无源功 率因数校正和有源功率因数校正，并根据它们的工作原理应用到外置电极荧光灯驱动电 源中，大大降低了谐波含量和提高了功率因数，取得预期的效果。 根据不同电压输入条件下，研究了两种逆变方式的工作特点，主要为基于分立元件 的电流型并联谐振电路和基于i r 2 1 5 7 1 s 的半桥逆变电路。电流型并联谐振电路与基于 t l 4 9 4 的b u c k 电路相结合又构成了具有调光功能的驱动电源，同时对r o y e r 电路建模， 分析准正弦工作，得到部分参数的设计方法。半桥逆变电路与基于l 6 5 6 1 的有源功率因 数校正电路相结合，组成市电输入时的驱动电源，通过对变压器电路的分析，得到了实 现软开关的条件，确定电路中部分关键参数，最后制作两种原理样机。通过实验验证了 几种电路在e e f l 驱动电源应用领域的可行性和可靠性。 e e f l 驱动电源是一个新兴的行业，在我国起步较晚，虽然最近几年发展很快，也 形成了一定的生产规模，发展和完善我国的e e f l 驱动电源市场，建设一批能设计出符 合i e c 9 2 8 、i e c 9 2 9 和z b k 7 4 0 11 8 9 、z b k 7 4 0 1 2 9 0 等标准并具有规模生产能力和严格 的检测手段的专业生产基地，生产出高性价比的系列化驱动电源，以满足日益增长的国 内外高端市场的需要应该是今后的工作重点。面对日益增大的驱动电源市场，目前具有 的生产能力还远远不能满足市场需要。因此，e e f l 驱动电源无论在研究、生产和应用 等方面的进一步开发，都具有极大的社会和经济意义以及广阔的市场前景。 大连理工大学硕士学位论文 1外置电极荧光灯的发展和概述 1 1 外置电极荧光灯的发展背景 随着科技的不断进步，液晶显示器的时代已经到来，阴极射线管的市场份额在剧减， 背光源的用量亦随l c d 的增加而不断增加，而它的性能直接关系l c d 的“面子 问题。 随着l c d 不断“瘦身 和功耗、环保的要求，传统逆变器已显得很难适从，如何设计 高品质的l c d 背光源驱动电源，就显得尤为重要。 由于液晶显示器( l c d ) 特别是超薄膜液晶显示装置( t f t l c d ) 质量的大幅度改善和 价格持续下降使其应用范围越来越广，迅速进入了计算机显示器领域和液晶电视等领 域。背光源作为液晶显示器l c d 的一个关键组件，开发高亮度、高效能及长寿命的背 光源就变得尤为重要【1 4 1 。继冷阴极荧光灯( c c f l ) 之后，作为超薄膜液晶显示装置 ( t f t l c d ) 的新一代光源- - # b 置电极荧光灯( e e f l ) 的研发越来越受到关注。背光源技术 的应用领域正从中小尺寸的产品朝着大尺寸的产品方向扩展。传统的c c f l ，每一个逆 变器( i n v e r t e r ) 只能驱动一支灯管，随着灯管数量的增多，逆变器需求量也随着增加， 功率消耗及产生的热量也随之增加。e e f l 所用的逆变器，一个可以驱动多支灯管，逆 变器数量减少使背光源系统设计得到简化，同时也降低了功耗，减少了发热量，成本可 降低1 5 - 3 0 。直下型e e f l 背光技术的特点是亮度高，显示器用液晶面板亮度可到 4 0 0 c d m 2 以上，甚至可以达到5 0 0 c d m 2 以上，比c c f l 高出6 0 以上。 e e f l 结构特色是将电极做在灯管外部，电极不会因长时间使用而损耗，寿命可达 5 0 0 0 0 小时。此外，e e f l 不需用导光板，在液晶面板后面直接配置合理数量的e e f l ， 制作出更亮的光源，因此可将液晶面板的重量减轻至原来的l 2 。但e e f l 目前的主要 问题是最佳的驱动波型尚待进一步研究，以及无法提高管电流，6 m a 的c c f l 需要1 0 0 0 v 以下的管电压，但e e f l 则需2 5 0 0 v 以上的管电压。还有高稳定性和高效率性的逆变器 开发不易，这些都滞缓了e e f l 产品的大规模产业化和商业化。据介绍，韩国a l c h a n 公司已开发成功的e e f l 用逆变器能将直流转换为交流电，并可检查e e f l 是否启动等。 随着此逆变器的开发成功，因结构问题而推迟商用化的高效率性e e f l 将备受欢迎，将 很快和c c f l 一起成为背光源的主导产品之一。此外韩国l g p h i l i p sl c d 在1 8 1 英 寸及2 2 英寸产品中，由于解决了这方面的技术问题，从而印证了实用化的可能性【3 1 1 。 目前直下型e e f l 技术的商品化，正在最终推敲技术细节，估计在未来1 2 年内，可以 供应画面亮度比传统的c c f l 产品高6 0 以上的t f t 液晶面板产品。 外置电极荧光灯驱动电源的研究 j 电光源按照发光原理大体上可分为热致发光光源、气体发光光源和固体发光光源。 其中热致发光光源制作简单、成本低，但其发光效率低，只有1 1 左右。其余的以热的 形式消耗掉。固体发光光源虽然发光效率高，但目前还不能得到大功率输出，进入大规 模使用还有一段距离。气体放电发光光源，如荧光灯、金卤灯和高强度放电灯等，不仅 可以做得较大，而且发光效率是普通白炽灯的几倍，所以气体发光光源逐步取代热致发 光光源已是一种趋势。 气体放电光源按放电形式又可以分为弧光放电灯和辉光放电灯两种。弧光放电灯主 要利用弧光放电柱发光。阴极工作在较高温度下，所以又叫热阴极灯。通常需要专门的 启动器件和线路才能工作。弧光放电灯主要有荧光灯、汞灯、钠灯等。辉光放电灯由正 辉光放电柱发光。放电时阴极温度不高，所以又叫冷阴极灯。它的特点是阳极到阴极的 电压降较大，电流密度小。如霓虹灯、冷阴极荧光灯、外置电极荧光灯即属此类。可以 说外置电极荧光灯是在普通荧光灯、冷阴极荧光灯基础上发展起来的1 2 0 j 。 1 2 外置电极荧光灯结构及工作原理 外置电极荧光灯( e e f l ) 的电极在灯管的外面，这与一般的荧光灯是大不相同的。 其外置电极间产生的电场形成灯管的发光体等离子体。e e f l 产品特性节能灯管由 于高频电压是外电极通过电容偶合导入管内的放电空间，从而改变了般气体放电的负 阻抗特性，使得灯组可良好地采用并联方式连接，实现多灯共用一个镇流器供给电源。发 光原理决定了其本身产生的热量远小于传统灯、c c f l ，从而有效的提高自身的寿命， 增强灯管发光的稳定性。 1 2 。1 外置电极荧光灯的结构 典型e e f l 结构如图1 1 所示。 硬辩玻璃 放电气体：n e 。a r ，i t g 或瓣e 。x e 藏搿e ，歉 图1 1e e f l 的结构 f i g 1 1 t h es t r u c t u r eo fe e f l 大连理工大学硕士学位论文 e e f l 采用高硼硅酸盐玻璃，线膨胀系数3 6 - - - 4 0 x 1 0 v c o 。由于软玻管热稳定性较差， 玻璃表面在长期使用后透明度会降低，使灯光衰减加剧，软玻管存在气体和金属杂质， 在烧结和点灯过程中会与荧光粉和汞发生复杂的物理和化学反应，造成荧光粉劣化和汞 的损耗，影响灯管光效和寿命。硬玻璃热稳定性好，除气温度允许较高，玻璃中活性金属 的含量较少，因而灯管寿命较长，可以达到5 0 0 0 0 小时。 e e f l 的特点是使用外置电极在灯管内形成感应电流。在传统的荧光灯中，随着灯的 燃点，灯丝上的电子不断消耗，电极的电子发射能力逐渐下降，同时电极材料也会溅射 到灯管内壁上，这都造成了灯的启动发生困难和光通输出的下降。反观e e f l 电极不会 因长时间使用而损耗，灯管不会因电极的损耗而使寿命缩短。 e e f l 采用稀土三基色荧光粉：红粉( y 2 g d ) b 0 3 ：e u 、绿粉z n s i 0 4 ：m n 、蓝粉 b a m g a i o ：e u 。若e e f l 采用无汞方案，则n e 、x e 混合气产生1 4 7 n m 的真空紫外线， 应对三基色荧光粉成份进行调整，以提高荧光粉的发光效率。 e e f l 分为无汞和有汞两大系列。有汞的e e f l 放电气体成分为n e 、a r 、h g ，汞和 惰性气体的混合蒸汽放电辐射出2 5 3 7 n m 的紫外线，再通过荧光粉转化为波长较长可见 光。无汞的e e f l 放电气体成分为n e 、x e 或n e 、k r ，由于氪和氙具有良好的化学稳定 性，并可以从放电中得到1 4 7 n m 紫外线辐射。 1 2 2 外置电极荧光灯的发光机理 普通荧光灯是利用电极将外部的电能转化为灯内气体放电所需要的能量。而e e f l 系统是基于电磁感应的原理，将外部的电能耦合到放电管中，让灯放光。利用套在灯管 外面的一对金属电极在灯管内形成感应电流，金属电极的作用犹如变压器的初级线圈， 而闭合的灯管的作用犹如变压器的次级线圈。驱动电源产生的高频交变电流在放电区产 生交流磁场，根据法拉第电磁感应定律，变化的磁场会在灯管内产生感应电流，在含汞的 情况下，主要使汞蒸气产生放电，辐射出2 5 3 7 n m 的紫外线，再通过荧光粉转化为可见光。 在无汞的情况下，感应电流使惰性气体的混合蒸气放电产生14 7 n m 波长的真空紫外线， 并通过相应荧光粉转化为可见光【j 】。 1 3 外置电极荧光灯与冷阴极荧光灯电气性能比较 冷阴极荧光灯英文全称是c o l dc a t h o d ef l u o r e s c e n tl a m p ，简称c c f l 。c c f l 是一 种新型的低气压辉光气体放电灯。冷阴极荧光灯和标准热阴极荧光灯的发光形式相同。 不过冷阴极荧光灯的工作状态是辉光放电，阴极是不涂发射材料的，用铁和镍制成的。 它依靠灯里气体原子的能量转换成辐射发光，最常用的放电介质是h g 蒸汽，灯里会填 充惰性气体如a r 、k r 等辅助启动，灯管内的游离电子被电场加速而激发a r 原子，受激 外置电极荧光灯驱动电源的研究 发的a r 原子再让汞原子电离放出辐射能，主要产生2 5 3 7 r i m 和1 8 5 r i m 两种紫外光，其 中2 5 3 7 n m 的辐射效率最大，紫外光辐射激发管壁上的荧光粉涂层而发光。因荧光物质 的组成材料不同，故能发出不同颜色的光嘲。示意图如下所示。 v i s i n el j g h t 图1 2 冷阴极荧光灯发光原理示意图 f i g 1 2 t h es k e t c hm a po f c c f l sl u m i n e s c e n tp r i n c i p l e 冷阴极荧光灯与普通荧光灯类似，也具有负阻特性。c c f l 效率很大程度上受驱动 灯管的电流波形的影响。正弦波形可提供最好的效率。相反地，振幅因数很大的非正弦 波形不是高效的c c f l 驱动信号【1 5 】。工作在高振幅因数波形下的系统，其电气功率转化 为亮度输出的效率被降低很多。 一般c c f l 直径都小于5 m m ，被广泛用于液晶显示中作为光源【l 副。为了稳定的工作， 电极的两端应该连接镇流电容。在c c f l 放电过程中，镇流电容能够阻止电流的迅速增 加。e e f l 可以运行于更高的频率，甚至到百兆级，在同样情况下，荧光灯可以获得更高 的亮度。又由于在l c d 背景光源中，高频率可能造成电磁干扰。所以高亮度e e f l 灯管 一般工作在1 0 0 k h z 以下。在并行排列的e e f l 发光系统中，由单一的镇流器驱动所以 e e f l 在背景光源领域展现数巨大的优势。 ，= = = = = = = = ： l 盎 i t 鸳辩 。一 强) 图1 3 两种实验荧光灯( a ) 串联镇流电容的c c f l ( b ) e e f l f i g 1 3 s c h e m a t i cd r a w i n g so ft h ee x p e r m e n t a lc i r c u i t s ( a ) c c f lh a v i n gt w ob a l l a s te a p a c i t o r s ( b ) e e f l r，l。 大连理工大学硕士学位论文 为了稳定c c f l 的放电电流，图1 3 ( a ) c c f l 应该串联镇流电容。图( b ) 可示e e f l 的 运行状态等效于在c c f l 的两端串联镇流电容运行状态。这里，外置电极与放电等离子 体的玻璃套相当于一个电容效果【l 】。 实验用的荧光灯玻璃管厚度0 3 m m ，直径2 6 m m ，长度3 7 6 m m 。玻璃管内壁涂有 红、绿、蓝三基色。放电管中同时充满了氖、氩气，同时一定量的汞也冲入管中。在实 际的c c f l 的制作中，管内的压力及管内混合气体的准确比率都是灯的优化得到的。一 般来说，氩的比率越大，灯的击穿电压也就越高。 下面的研究中，c c f l 与e e f l 有相同的气体成分和压力；而e e f l 的灯管电极两端 包括铜套。d c a c 逆变电路运行频率8 0 k h z ，直流电压是可调的，交流功率通过d e a c 逆变电路加至灯管的两端。图1 4 示出e e f l 和c c f l 的电流和电压波形。e e f l 的电极 长度为l = 2 0 m m ，当选取镇流电容c = 3 3 p f 时，c c f l 与e e f l 具有相似亮度。v a b 为镇 流电容两端电压，v a b 为c c f l 灯管两端电压。图中方块曲线示出i v a b 关系。此电流 为流过金属电极之间的电流。在暗电流区域，电流随电压增长缓慢，当灯电压增加到点 火电压时，暗电流增加至0 1 0 7 m a 。到达点火电压1 0 5 7 v 时，灯内气体发生汤生放电， 灯内电流也有0 7 m a 突然增加至4 9 m a 。最后，正常的辉光放电维持在固定的电压大约 6 0 0 v 。i - v a b 与i - v a b 的暗电流和汤生放电区域交迭，但是当灯管两端电压到达点火电 压1 0 5 7 v 时，将会产生重大的不同。 在i - v a b 中，达到汤生放电电压后，电流突然增加，并且随着电压的增加将不断增 加。而在i v a b 曲线中，负载将呈现负阻特性。e e f l 的电压电流特性与串联镇流电容的 c c f l 相似。特性包括暗电流斜率、点火电压幅度及在点火电压时电流增量。在辉光放 电阶段，e e f l 的电压随电流变化定性的与串联镇流电容的c c f l 电压变化相似。 图1 4c c f l 、串联镇流电容的c c f l 、e e f l 的i v 特性曲线 f i g 1 4 p l o t so fc u r r e mv e r s u sv o l t a g ei nac c f l ，c c f lh a v i n gb a l l a s tc a p a c i t a n c ea n de e f l 弧鼍y蚍；气；一：，“ 外置电极荧光灯驱动电源的研究 在上图中有两点只得注意。第一在暗电流区域，v a b 近似相等v a b 。这意味着几乎 所有的电压加到了c c f l 电极两端，而镇流电容两端的电压可以忽略。第二在辉光放电 区域，v a b 随着电流的增加而增加，但却维持在一个固定值。 这两点可以用电容的串联来解释。对于c c f l 串联两个镇流电容电路，其等效电容 如下： c ：i 上+ 三i ( 1 1 ) c f 埘l 首先在暗电流区域，由于灯的电容相对与镇流电容来说非常小c 6 甜所以等效 电容就为c c f 伽，即加到灯电路两端的电压主要降在灯本身两端，而镇流电容两端的 电压降可以近似忽略。由c 占彳d 可的，电容与电极的间距成反比，其中a 为电极的 面积，当电容还没有充电时，灯的电容本身是比较小的。所以从i v 曲线上可以看出， 在此期间最高的电压是将在灯的两端。在汤生放电阶段以后，灯两端的电压由击穿电压 1 0 0 0 v 降至正常辉光放电的6 0 0 v ，这主要是由阴极鞘层的崩溃造成的。整个镇流电压 v a b 却是增加的。c b 出是固定不变，镇流电容两端电压v b a l 增加，意味着充电电量q b m 增加。灯两端电压是常数，可得： - - v , 。= 笋6 0 0 v ( 1 2 ) 其中c f 姗了c a ，这样就可以得到阴极鞘层的宽度s ，s 罢掣。又由于灯电容的 “x；ft 充电电量等于镇流电容的充电电量，= 锄= q ，可得： s 型坚( 1 3 ) c b o y 陆l 此后在正常辉光放电阶段，灯内的阴极鞘层会随着镇流电容的增加而逐渐消散。由 6 0 0 v 、v b a 23 0 0 v 、占、c 3 3 p f ，此外圆柱型电极的半径为l m m 、 长度1 0 m m ，可得彳1 0 - 5 聊2 ，代入上式得： s 4 0 t m 假若我们认为等离子体的离子密度和电子温度与其他等离子体显示装置相似，即 n j 3 x 1 0 1 l c m 。3 和z 2 e v 。由s = 7 4 0 e t , ( p 即碍( c 聊- 3 ) “2 c m ，可得鞘层的宽度为： s 3 0 t m 。这与上面的计算是相吻合的。 从上图中我们可以看出e e f l 与串联镇流电容的c c f l 的i - v 特性曲线是相似的。 特别是在暗电流的斜率和汤生的点火电压e e f l 与c c f l 几乎是相同的。e e f l 的点火 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 电压是1 0 9 0 v ，c c f l 的点火电压1 0 5 7 v 。在汤生放电的维持电压下，e e f l 的电流增 加为2 6 m a ，这要低于c c f l 的4 9m a 。在辉光放电阶段，电流随着镇流电压的增加而 增加。e e f l 两端的电压可以分为v s h 和v e x t 两部分组成。其中v e x t 为外置电极之间 的电压，v s h 为放电管两端的电压。根据上边的讨论，v s h 大约为6 0 0 v 是不变的，所 以v e x t 是随着镇流电压v 增加而增加的，这说明外置电极电容不断充电也就造成了电 流的不断增加。 1 4 外置电极荧光灯的特- 生曲线 图1 5 灯的工作电流与电极长度的关系 f i g 1 5 t h er e l a t i o nb e t w e e nw o r k i n gc u r r e n ta n de x t e r n a le l e c t r o d e sl e n g t h 上图为不同电极长度的e e f l 的i v 特性曲线。可以看出点火电压( 1 1 4 8 v 、1 0 9 0 v 、 1 0 5 7 v 、10 5 0 v ) 随着电极长度的增) ) h ( 15 m m 、2 0 m m 、2 5 m m 、3 0 r a m ) 将减小，同时电流 ( 2 0 m a 、2 6 m a 、4 8 m a 、6 8 m a ) 也将不断增加。正常辉光放电时，e e f l 的管内电流 随着电压v a b 的增加而增大。v s h 也是稳定在6 0 0 v 左右，这也是与前面的讨论是一致 的。 由图1 6 可得，亮度随电极长度的增加而增加。汤生放电时，对于不同的电极长度 ( 1 5 、2 0 、2 5 、3 0 m m ) ，亮度增加分别为8 0 0 0 、1 5 0 0 0 、3 0 0 0 0 、3 6 0 0 0 c d m 2 。辉光放电 时，上述曲线表现出亮度饱和。对于电极长度为1 5 m m 的e e f l ，在相同输入功率的前 提下，它的亮度要小于其他电极长度的e e f l 。这也就意味着电极长度为1 5 m m 的e e f l 的发光效率是比较低的。对于电极长度为3 0 m m 的e e f l ，它的亮度随着输入功率的变 化而呈现不稳定状。大多数的情况是饱和亮度为3 5 0 0 0 4 0 0 0 c d m 2 。因此在辉光放电条 件下，比较优化的选择是e e f l 两端的电压接近饱和亮度时的电压并且还要小于此值。 外置电极荧光灯驱动电源的研究 由上面的分析，在暗电流阶段，c c f l 与e e f l 在i v 特性曲线上具有相同值。这 包括暗电流的斜率和幅值。这主要时因为管内的电离率与管内气体分子组成有关，而与 镇流电容和电极长度无关。同时所有灯的点火电压为1 0 0 0 v 左右，发生汤生放电的点火 电压时，管内电流是随着镇流电容或电极长度的增加而增加。辉光放电时，除去镇流电 容电压，c c f l 管上的压降为6 0 0 v ，灯电流也随着镇流电容电压的增加而增加。e e f l 两端的电极效应相当于c c f l 的镇流电容，可以认为e e f l 管内发生与c c f l 相似的物 理过程。 图1 6 灯的亮度与电极长度的关系 f i g 1 6 t h er e l a t i o nb e 锕e e nl a m pb d 曲m e s sa n de x t e m a le l e e 仃o d e sl e n g t h 1 5 外置电极荧光灯产品优势和典型应用 在玻璃管内封入x e 气，以惰性气体的混合蒸气放电辐射出紫外线，杜绝汞污染， 也符合欧盟在2 0 0 6 年七月起禁用包含汞在内重金属的要求。但惰性气体与h g 放射出的 紫外线的波长不同，故需特殊荧光粉，以提高荧光粉的发光效率。但其能量转换效率较 传统c c f l 低2 0 以上。 e e f l 采用硬料玻璃，玻璃良好的热稳定性减少了漏气现象，玻璃中活性金属的含 量较少也减少了荧光粉劣化，e e f l 使用的外置电极不会因长时间使用而损耗，因而灯 管寿命较长，可以达到5 0 0 0 0 小时。 e e f l 可通过一个逆变器( i n v e r t e r ) 支持多个灯管，就理论而言，只要变压器的输出 功率允许，一台逆变器可控1 4 0 支灯管，达到c c f l 同样的亮度其功耗只有c c f l 的 7 5 左右。传统的c c f l ，每一个逆变器( i n v e a e r ) 只能驱动一支灯管，随着灯管数量的增 多，逆变器需求量也随着增加，功率消耗及产生的热量也随之增加。e e f l 所用的逆变 大连理工大学硕士学位论文 器，一个可以驱动多支灯管，同时也降低了功耗，减少了发热量，成本可降低1 5 0 0 - - - 3 0 。 在相同的管电流下，e e f l 发出的亮度较c c f l 相对高些。 e e f l 利用电路控制系统将背光板系统视为一大型的冷阴极管来处理，利用一个逆 变器即可把并联群控的e e f l 的线光源变成面光源。但e e f l 需要高稳定性和高效率性 的逆变器，且与原c c f l 比较起来制作不易，成本相对提高。灯管数量增加时，e e f l 的工作频率也会随之变化，而c c f l 的频率却维持在相对稳定的范围。因此，设计e e f l 的逆变器时，输出端必需考虑这种情况。 在逆变器设计过程中，在充分考虑变压器磁芯材料的传输功率及逆变器的体积时， 逆变器应具备以下功能特点：曲较宽的输入电压适应范围( d c l 22 4 v 或a c 9 02 6 0 v ) ； b ) 高效率、高p f c “氐t h d ( c c m 方式) ；c ) 运行频率可调；d ) 运行电压可调、恒电流输 出；e ) 1 0 0 ：1 或更宽的调光范围( p w m 或d d s & m i c r o p r o c e s s o r ) ；d 灯故障模式诊断与 恢复；酌点灯触发失败保护与恢复( r e s e t & r e b o o t ) 。 对含汞气体的背光源来说，其色温对输出亮度有较大影响。当重新启动后，要达到 峰值水平需要较长时间，而内充x e 气或鼬气的背光源就不存在这样的问题。 e e f l 主要应用于以下领域：可适用于l c d 背光( 电脑液晶显示器、t v 、监视器、 电子产品等) 、广告领域( 超薄灯箱的照明) 、扫描仪及各种仪器、仪表；大管径灯管 则可用于建筑物轮廓勾勒、城市亮化工程及各种夜景照明工程、各类型大型显示器、饰 礼品的使用等。图1 7 为上虞菁华背光源有限公司生产的e e f l 灯管。 ：凌溪雾鬻豢襞i 麓黎黪i 鬟瀑参“j 0 j ，誊j 。誊麓一? ；囊爹；i 篓墨誉萋攀鬟鬻黪黉簿；鬻鬻妻黪蔓譬： ；o ；攀鬻警i 雾；积笺o ；鸳豢蕊! ，瀵i 甏澎警鬟囊窘雾擘| 7 一。 。- 爱露：雾：爨豢麓嚣j 露拳誊熏鬻嚣誊鬻i 誊j 辫鬈。，+_ _ _ _ _ l _ 一 。“i 二王鐾釜鍪鎏鍪i 鍪篷鋈鍪釜：； 篱黼藜；鬻i 鬻豢鬻蒸 图1 7e e f l 实物图 f i g 1 7 t h e p r o d u c t i o no fe e f l 外置电极荧光灯驱动电源的研究 2 驱动电源概述 2 1 驱动电源的功能和应用电路 2 1 1 电子镇流器功能简介 一般电子镇流器配套工作时，为保证荧光灯能正常点燃，对灯的性能不造成损害， 电子镇流器必须具备一下主要功能： 给灯管两端提供一个足够高的启动电压，使灯管可高点火。目前，多数电子镇流器 是通过l c 串联谐振电路发生串联谐振产生灯管点火高电压并施加于灯管两端，将灯管 启动点火1 2 3 1 。但是对于高强度发电灯电子镇流器，必须产生1 5 k v 的高电压点火脉冲 才能将灯启动。这个比普通荧光灯高数倍的启动电压，一般是通过触发启动电路的升压 变压器获得的。对阴极进行预热，并预热时间不小于0 4 s ，阴极的预热时间必须符合产 品标准规定的要求。 在灯点火之后，必须为灯提供一个大小合适且稳定的工作电流。灯电流若高于它的 额定工作电流，会影响灯的使用寿命。若灯电流偏小，则会影响灯的发光效率。电子镇 流器的输出功率施加于灯管两端的电压和给灯提供的实际电流必须与所配接的灯参数 相匹配。 由于高强度气体放电灯的固有光电转换机制一负阻特性，电子镇流器电路必须具有 符合这个机制的伏安特性并应具备以下特点才能使灯管正常工作。将灯管内的惰性气体 从非导电状态激发成为导电状态，这是一个强电场下的电离过程，通过在灯管两极之间 加以较高电压来实现点火。点火是高强度气体放电灯实现弧光放电的条件。 当电极之间电压继续增加时，离子在电场中加速使更多气体原子电离，离子繁殖是 雪崩式的，导致辉光和间断弧光，此时极间电压略有增加就会导致电流迅速增长。电压 进一步升高将会发生电流击穿，该状态下灯管呈现极低阻抗，放电电流可能激增几个数 量级，此时灯两端的电压相对稳定，放电电流为连续电流，弧光放电能够完全自持，这 是由辉光放电演变为弧光放电的明显特征。 当电压升到峰点时，灯管将进入具有负阻特性的亚辉光放电区，灯管两端电压随电 流的继续增长而迅速跌落。此时灯管处于恒功率状态。当电流一直增长下去，灯电压将 跨过谷点随电流增长而逐步上升，此时灯管耗散将会显著增长，灯管过热而导致寿命大 大缩短。 气体放电灯一般采用交流供电，在交流供电下灯管两端电极损耗均匀，可延长寿命， 高压气体放电灯的寿命能到达4 万小时以上，2 万小时是有关标准的下限。影响灯管寿 大连理工大学硕士学位论文 命的主要因素有电极损耗、活性元素放射性的衰减和灯管过热。归纳以上几点，点火、繁 流和弧光放电灯三个阶段是引燃灯管的启动过程；负阻亚辉光放电是灯管的正常工作 区；正阻辉光放电应当避免出现。 一 。f 必须把谐波电流含量控制在标准规定范围内，以防止对电网造成污染，并实现高功 率因数。如果电子镇流器不采取谐波谐波和p f c 措施，输入电流波形会出现严重畸变。 过高的谐波电流含量会使交流供电电源的中线电流增大，引起中线超负荷，影响供电系统 的安全运行。尤其是当电子镇流器在商场、大厦这类公共场合密集使用时，往往会使电 子镇流器出现成批损坏，甚至会引起火灾。如果对电子镇流器的谐波电流含量不采取抑 制措施，线路功率因数降低到0 6 以下，这是不允许的【3 5 3 6 1 。另外，由于电子镇流器的开 关工作频率达到2 0 - - - 6 0 k h z ，所以必须将电磁干扰( e m i ) 和射频干扰( r f i ) 降低到可以接 受的程度。 尽管电子镇流器较电感镇流器有许多突出的优点，但是如果它的安全和可靠性没有 得到最基本的保证，将会失去价值。对于电子镇流器的安全性和可靠性的基本要求是： 在灯没有接入或灯不能启动等异常条件下，镇流器应不受损害；镇流器的绝缘材料应具 有足够的耐热和耐火性能；镇流器用零部件应具有良好的防潮湿、防腐蚀性能；镇流器 应充分防止意外接触带电体的保护，在故障状态下工作时，不得产生易燃气体，不得喷 出火焰或溶化金属，也不得使用用户意外接触带电体的保护装置而受到损伤；镇流器必 须能经受产品标