（电工理论与新技术专业论文）紫外线消毒灯用可调光电子镇流器的研究.pdf

紫外线消毒灯用可调光电子镇流器的研究 t h es t u d yo fd i m m a b l ee l e c t r o n i cb a l l a s tf o ru 1 t r a v i 0 1 e tl a i n p s a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to f “i h e e nl j g h t i n gp 玎0 j e c t ”，g a sd i s ( 湘a r g el a m p sa r ep r e f e r r e dt o t h e i rc o u n t e r p a r t s ，i n c a l l d e s c e n t l a m p s ，d u et oi t se n e r g ys a v i n ga n dh i 曲l i g h t i n ge f f i d e n c y a l m o u g ht h e yr e q u i r et h e i ro w n m a t c hb a l l a s te q u i p m e n t s s o l i d s t a t eh i g h f r e q u e n c ye l e c t r o n i cb a l l a s t sf o rn u o r e s c e n tl a m p so f f 色rc o n s i d e r a b l e a d v a n t a g e si fc o m p a r e dw i t l lm ee i e c o m a 印e t i cb a u a s t sc o m m o n l yi u s e ，s u c ha ss o m e h i 曲e rl u m e no u t p u t ，l o w e rs t a n i n gv o l t a g e ，n oa u d i b l en o i s ea n dn i c k e r l e v e l t h ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) a n dh a l f - b r i d g ei n v e n e rd r c u i tt o p o l o g ya r e c o m m o n l yu s e d i nm o d e mh i g hp o w e rf a c t o re l e c t m n i cb a l l a s t s h 0 w e v e r ， a st h e d e v e l o p m e n to fp o w e ri n t e 舒a t e dc i r c u i t ( p i c ) ，m a n yi n t e 孕a t e dc i r c u i tc h j p sa r ep r o d u c e di n o r d e rt og e tr i do ft 1 1 ed i s a d v a n t a g e so f p u l s et r a s f o r i l l e ra i l ds i m p i i f yt h ed e s i 印 u 1 t r a v i o l e tl a m p sa r eat y p eo f1 a wp r e s s u r em e r c l l r yv 印o rd i s c h a r g ei a m p s ，w h i c h b e l o n gt os p e d a lt y p e 丑u o r e s c e n tl a m p sa n d a r ew i d e l ya p p l i e di ns e w a g ed i s p o s a la n dw a t e r p u r i f i c a t i o n i th a st h es a m ep r i n c i p l eo fm ec o m m o nf l u o r e s c e n tl a m p s a n de l e c t r o n i c b a l l a s tf o rt h en u o f e s c e n “a m ph a sb e e nd e v e i o p e df o rai o n gt 曲ea n do b t a i n e dm a n ym a t u r e t e c h n o l o g ya c h i e v e m e n t s t h et 髂ki si n t r o d u c e de i e c t r o n i cb a l i a s tf o rn u o r e s c e n tl a m p si 1 1 t o u l t r a v i o l e tl a m p s ，i n s t e a do ft h et r a d i t i o n a lp o w e rs u p p l yw h i c h n s i s t so fe l e c t r o m a g n e t i c b a l l a s t t h ep r o p o s e de l e c t r o n i cb a l i a s ti st h ec a s c a d eo p e r a t i o no fe l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m df i l t e r ，a o d cr e c t i f i e r ，p f c ，h a l f b r i d g ei n v e n c ra i l dd i m m a b l ec o n t r o lc i r c u i t i i lo r d e r t os h a p em ei 印u tl i n ec u n 韧ta 1 1 dt 0r e d u c ct h eh 瑚o n i cc u r r e n t s ，t h ea c t i v ep o w e rf a c t o r c o r r e c t i o nd r c u i t r y f c ) ，c o n s i s t so fa p f cc o n t r o l l e rt d a 4 8 6 3 ，i sr e q u i r e di n 行o n to ft h e e l e c t r o n i cb a l l a s t t h ed i m m i n gf e a t u r ei sc a r r i e do u tb yt h ev a r i a t i o no ft h es w i t c h i n g f r e q u e n c y ，a dt h ed r i v e rd r c u i ti sm a d ew i t hs e l f _ o s c i l l a t i n gh a l f b r i d g ed r i v e ru b a 2 0 1 4 a c i r c u i t f yp r o 幻f y p eb a s e do nt h ep r o p o s e de l e c t f o n 把b a l l a s ti sb u i ki nt h el a b o r a t o r y a n dt h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t ss h o w 也a ti th a st h ef e a t u r eo fc o n t i n u 。u sl i n ec u r r e n t ， a d e q u a t ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o na n dr e a s o n a b l et o t a lh a 皿o n i cd i s t o r t i o n ( m d ) k e yw o r d s ：e l e c t r o n i cb a l i a s t ；p o w e rf a c t o rc o r r e c “o n ；h a i f b d g ei n v e r t e r ； d i m m a b l e ；i n t e g r a t e dc i r c u i tc h i p 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。 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：塑垒塞 导i j 币答名彳会 导师签名： 叁刍堡 翌峰乏月坐日 大连理工大学硕士学位论文 引言 自从1 9 9 1 年美国国家环保局但p a ) 提出并开始实施“绿色照明( g r e e nu 曲t s ) ”这一 概念以来，美国、英国、法国、日本等发达国家和一些发展中国家先后制定了绿色照明 计划，并取得了明显的效果。 事实上，照明的质量和水平已成为衡量社会现代化和人类社会可持续发展的一个重 要标志。由于高频电子镇流器的节能和巨大的市场潜力，进入2 0 世纪9 0 年代后，各种 负阻性气体放电灯用高频电子镇流器不断涌现，形成了一个“绿色照明”的新兴产业【l j 。 实施绿色照明工程是我国重点推广1 0 项节能技术项目的第一项( 高效节能灯) 和 第三项( 电子节能技术) 。因此绿色照明工程包括使用高效节能电光源和高性能的电子 镇流器。节能电光源包括低压气体放电灯一荧光灯、节能灯和高压气体放电灯一高压汞 灯、钠灯、金属卤化灯和氙灯等。低压气体放电灯具有光色柔和、光通量高、显色性好、 无噪声、无频闪和低压启动性能好，而最突出的特点是节能效果明显。高压气体放电灯 具有光效好、光色好、寿命长、功率大的特点。使用荧光灯电子镇流器节能效果明显， 与传统的电感式电子镇流器相比节能约为2 0 3 0 【2 j 。低压气体放电灯作为一种节能 电光源，与之相配套使用的电子镇流器的开发和研制当前已成为国内外研究的热点。 气体放电灯尽管发光效率高，但由于其负阻工作特性，要使它正常工作，须加一个 镇流器，确保它稳定正常发光工作。而常用的电感式镇流器由于效率低、功率因数低、 体积大、重量重，而消耗大量硅钢片和铜线等贵重金属，所以人们又寻求电子镇流技术 来提高工作效率、功率因数及改善普通电感镇流器存在的发光频闪问题。自1 9 7 8 世界 上第一只高频电子镇流器问世后，在近2 0 多年的时间里得到了广泛应用。 由于高频交流电子镇流器的节能效果显著。据统计，如将现在世界上2 0 0 亿只正在 使用的灯具中5 0 亿只改为电子镇流的气体放电灯，则可节电2 0 0 0 w ，就可少建几个发 电站。所以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。如美国弗吉利亚大学功率电子研究中心( ，e c ) 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m e e 功率电子学学刊刊 出，并提出了如能量反馈、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( u c t ) 的s c u k 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。其他如美国a e v e l a n ds t a t eu i v e r s i t y 、加拿大c o n c o r d i a 大学、 西班牙、巴西、英国、香港大学、香港理工大学、台湾工业研究院、台湾交通大学、北 京北方工业大学、上海交通大学、上海大学、哈尔滨工业大学、华南理工大学等，每年 都有相关的论文及研究生论文报道，并且有许多相关产品推出。它们采用的电路主要形 紫外线消毒灯用可调光电子镇流器的研究 式有：单管式样、o 半桥式样、推挽式样、 全桥式单级变换拓扑，如在以上的基 础上再加一级有源或无源功率因数补偿，则可实现功率因数较正，又可形成两级变换电 路 1 瑚。 但是两级变换电路尽管性能好，但造价较高，元器件使用数量较多，所以限制了它 的应用，人们又开始探讨具有两级功能的单级变换电路拓扑，目前这是世界上的一个研 究热点，每年在国际、国内都有许多文献报道。 同时，为了进一步适应气体放电灯的应用，世界上主要公司又推出了一系列集成控 制电路，如西门子、美国微线、m 、南韩三星等公司的电子镇流器控制集成电路，而其 中品种较全、性能较好的以美国m 的系列集成控制电路最有代表性。它具有微程序控 制功能，可实现灯故障检测、控制、保护等功能，国内公司纷纷加以引入、介绍，并且 在世界上m 公司首先推出了电子镇流器计算机辅导设计软件( b d a ) 【1 】【3 1 1 4 1 。 我国对电子镇流器的研究始于8 0 年代中期近年来该产品己形成一定生产规模。 我国最近几年电子镇流器的发展很快。据不完全统计，我国大约有4 0 0 5 0 0 家在研制 和生产电子镇流器。但是大多数生产厂家的产品只要求点亮，对它的技术性能和安全性 能无明确要求，产品存在着严重缺陷，根本无法适应和满足国内外市场的需要。而利用 国外生产的集成驱动芯片设计和生产的电子镇流器，由于成本太高，只适合制作高中档 产品，很难被家庭民用接受。如何设计一只工作可靠、性能良好的电子镇流器一直是相 关专业和国内同行的努力方向。并且由于国际、国内的“绿色照明”工程的推广、实旌， 这个问题显得更为突出。目前国外已有电子镇流器的设计软件( b d a ) 推出，而国内目 前这个领域还处于起步阶段【呻l 。 现代电子镇流器作为新一代高科技节能产品，从它诞生到逐步完善再成为一种成熟 的产品与其技术、新产品一样，经历了艰难曲折的发展过程，经过多年努力，正日趋成 熟。现代电子镇流器未来的发展目标任务首先就是要建立一批能设计出符合瑾c 9 2 8 、 i e c 9 2 9 和z b k 7 4 0 1 1 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，生产出性能价格比较好的系列型电子镇流器，以满足日益增长的国 内外市场的需要。其次是设计制造新一代集成化电子镇流器，使其产品更为安全可靠， 调试简单、一致性更好、降低成本。这类电子镇流器更具有先进性。再次是发展多功能 电子镇流器产品，如调光型电子镇流器、共用化电子镇流器、特种电源电子镇流器，都 将成为电子镇流器领域里新的研究课题。最后还要指出一点，由于多功能荧光灯电子镇 流器的不断发展，电子化荧光灯镇流器必然会进一步朝智能化方向发展。可以预见，应 用电脑控制荧光灯照明系统将给照明工程的发展带来新的动力。 大连理工大学硕士学位论文 总之，现代电子镇流器是一个新兴发展的行业产品，在国际上也是近几年才逐步发 展和完善起来的。在我国尽管电子镇流器对照明行业产生了很大的影响，但现在还只是 刚刚步入市场，日益需求高质量现代电子镇流器的量很大，目前具有的生产能力还远远 不能满足市场需要。因此，现代电子镇流器无论在研究、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。 紫外线消毒灯已是医疗、卫生、细菌研究、制药、食品工业等行业，用作消毒和光 化学反应的一种必不可少的设施，这种紫外线光源能辐射出强烈的对核酸蛋白质作用特 别强的短波紫外线，可有效地杀死细菌或使细菌发生变异。紫外线消毒灯管的输入电压 通常为2 2 0 v ，功率却有2 0 w 、3 0 w 、4 0 w 、7 5 w 等多种，灯管使用时所选配的镶流器 可与相应功率的普通荧光灯镇流器互换【1 0 l 【1 1 】。 由于紫外线消毒灯是一种用于消毒方面的特定型荧光灯。它具有与一般荧光灯相似 的工作原理。其传统的驱动电源存在功率因数低、效率不高等诸多问题。而作为驱动荧 光灯的电子镇流器具有效率高、噪声低、灯寿命长、重量轻和易于控制等优点。本课题 正是以此作为研究的切入点，把荧光灯电子镇流器引入到紫外线消毒灯中，代替传统紫 外线消毒灯的电感式镇流器电源，从而提高电源的功率因数和效率，降低谐波失真，减 少电磁干扰。 本课题以荧光灯电子镇流器为模板，以紫外线消毒灯为实验对象，使用集成驱动芯 片设计与之配套的电子镇流器，对电子镇流器的e m i 问题和功率因数校正、半桥驱动 和调光等问题进行了研究，并对紫外线消毒灯与设计的电子镇流器的配套使用及其相互 关系进行实验，对电子镇流器的设计具有指导意义，为后续课题的开展奠定硬件基础。 利用设计的这种电子镇流器代替传统紫外线消毒灯电源，从而提高电源的功率因数和效 率，降低谐波失真，减少电磁干扰，而且保证灯的寿命更长，电源重量更轻和调光更易 于控制。 紫外线滑毒灯用可调光电子镇流器的研究 1 荧光灯电子镇流器 1 1 荧光灯的负阻工作特性 与其它一些气体放电灯一样，荧光灯具有负阻抗特性。典型的荧光灯伏安( v i ) 特性曲线如图1 1 所示，当荧光灯的工作电流上升时，荧光灯管压降下降，因此如果由低 阻抗的电压源供电，任何小的灯管电流上升将导致管压降下降，从而引起灯管电流继续 上升，最终引起灯管损坏，或者灯管电压下降至一个很低的电压而中断灯管电流，不能 维持灯管电流所器的管压降。 l 。l - ) 2 l 上剀 7 图1 1 荧光灯的伏安特性曲线图 f i g 1 1v o l t a g ec u n t n tc l l a 均吲s t i cc u r v eo f n u o r 船c e n tl a m p s 荧光灯阻抗曲线如图1 2 所示，荧光灯在启动期间的电压( 或阻抗) 很高，点火之后 灯管两端电压急剧下降，然后略有升高，最后进入稳定工作状态。在这一过程中，阻抗 曲线与电压曲线是一致的。荧光灯在稳态工作条件下，可以等效为两个背靠背的稳压二 极管与一个电阻相串联。在交流电压下，不论在正半周还是负半周，荧光灯都可以导通 工作【4 】 1 2 。1 4 1 。 图1 2 荧光灯电压阻抗曲线 f i g 1 2 、b l t a g ei m p e d a i l c ec u r v eo f n u o r e s c e mi a m p s 一4 大连理工大学硕士学位论文 当施加于灯两端的电压低于触发启动电压( v “) 时，灯呈高阻关断状态，灯中没 有电流通过。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 h ) 也基本保持不变。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灯端的电压降一般为4 0 v 1 1 0 v 【1 1 【4 1 。 1 2 常用镇流方法 由于气体放电灯是一种具有如图1 _ 1 所示v 俐寺性的负阻性电光源，即v i 为负 值。从图中可以看出，当灯电流上升时，灯管的工作电压下降，但是供电电压不会下降， 多出的这点电压加到灯管后会使灯电流进一步上升，如此循环最终烧坏灯管或灯管熄 灭。所以要使灯管正常工作，应配以镇流元件，用以限制和稳定灯电流。这种限流装置 就叫做镇流器。常用的镇流方法【1 】有： ( 1 ) 电阻镇流 电阻镇流的工作效率低，要确保电阻镇流电路正常工作，应使电源供电电压不低于2 倍的灯工作电压，实用中应用不多。 ( 2 ) 电容镇流 电容镇流只有在很高的供电频率下才能很好地工作，如果交流供电频率太低，则会在 交流供电的每半个供电周期内产生很大的峰值电流，具有镇流工作效率高的优点。 f 3 1 电感镇流 电感镇流是一种得到广泛应用的镇流方法。但它的损耗比电容镇流要大，但是灯电 流在5 0 比交流供电频率下的失真较电容镇流要小得多，使用时需配用启动器。 电感镇流几乎可以应用子所有得气体放电灯应用场合。电感镇流器具有以下特 点： 相对电阻镇流损耗低； 电路简单。 但是也有以下的缺点： 由于电路中有一个电感，所以灯电压、灯电流之间有一个相位差，从而造成电 路的功率因数较低( 一般在o 5 左右) ； 灯的启动点火电流较大，一般是灯额定工作电流的1 5 倍； 灯工作电流对电源供电电压的变化较敏感，故镇流效果不太稳定； 紫外线消毒灯用可调光电子镇流器的研究 电感镇流器的体积和重量较大。 ( 4 ) 电容、电感镇流 在电容、电感镇流电路中，要求电容的容抗要比电感的感抗大。这种镇流电路和电 感镇流电路时的工作情况不同，这时灯的工作电压( 电流) 超前电源电压一定的相位， 所以又被称为超前型镇流电路。 电容、电感镇流电路有较好的稳定特性，但是重复点火能力较差。这是为何当灯的 电流过零时，电源电压的峰值和灯电压的方向正好相反的原因。 ( 5 】高频交流电子镇流器 在以上4 种镇流方法中，目前电感镇流式电子镇流器得到了广泛的应用。但是采用高 频交流电子镇流器可以提高灯管的发光效率，没有电感镇流器特有的5 0 比e 工频噪声， 减少了镇流器的体积和重量。高频交流电子镇流器和普通电感镇流器在使用时可以互 换，易于实现各种智能化控制。在工厂、办公楼、家庭等应用场合，高频交流电子镇流 器有很大的市场。 1 3 电子镇流器 1 3 1 电子镇流器概述 荧光灯管在电离前呈现高阻状态，需要一个很高的电压使灯管内的汞蒸汽电离，产 生紫外线，激发涂敷在玻璃管壁上的荧光粉发光。一旦灯管启辉发光后，在正常工作状 态下，它可以等效为一个电阻，即灯管电压与电流的比值。不过，这个电阻并非是一个 恒定的电阻，而是随时间而变化的。因为当灯电流增加时，灯管两端的电压会下降，即 随灯管电流的增加，灯管的等效电阻会下降。所以对于这样的负载，驱动它的电路应该 具有较高的输出阻抗，即具有恒流特性，以便限制灯管的电流，使之不至因外电压的波 动引起灯管电流过大而损坏p l 。 电子镇流器是取代传统的铁心式电感镇流器电源而与荧光灯配套使用的新型镇流 器件。电子镇流器电路应该有镇流作用，首先是要提供一个足够高的启动电压使灯管启 辉。其次，灯点亮后，应提供一个合适并受到限制的灯电流为了提高灯管的发光效率， 并避免灯管在低频工作下灭弧的缺点，电子镇流器应工作在高频状态。从电子镇流器的 噪声角度而言，电子镇流器的工作频率应大于2 0 k 玉z ，但是从降低镇流电感磁心的高频 损耗的角度出发，电子镇流器的工作频率有不能选得过高一般不应大于1 0 0 k h z - 并 且这个工作频率的大小还和具体的灯管型号有关，同时还应考虑到电子镇流器在高频工 作时产生的高频干扰信号对工作与红外工作频段的家用电器等的影响。例如工作于r c 5 系统的红外遥控电路它工作于3 6 k h z ，所以电子镇流器的工作频率不应工作在1 8 k h z 或 大连理工大学硕士学位论文 3 6 虹k ，现在3 0 4 0 k h z 这个频率范围已基本被红外遥控系统使用，所以在设计电子镇 流器时，不应选择这个工作频率范围。为了进一步提高整灯的光效，并减少对红外通讯 的干扰，其工作频率应尽可能高于4 0 姐z 1 1 j 。 当要从交流电网获得电能时，电子镇流器需要配备有大电解电容的二极管整流桥给 高频的逆变器提供平滑的直流电压。这样的整流电路不可避免地引入了浪涌电流，引起 输入电流因带有谐波而失真，降低了输入功率因数。因此，在电子镇流器电路的前端， 通常需要功率因数校正( p f c ) 和低通滤波器来形成连续的输入电流和降低谐波电流。 为了解决这些问题，人们提出了许多功率因数校正的方法，大致可以分为有源功率 因数校正和无源功率因数校正两种【1 6 】 1 7 】。而就电子镇流器来说电磁兼容( e m c ) 主要 是防止它的传导干扰影响其它电气设备的正常工作，常用的e m i 滤波器有c 型、l 型、 丌型，双型【2 6 】【2 7 1 。对于较大功率的镇流器可采用l 型、双型混合结构，或其它混 合结构f3 f 。 文菇 i 电 输八 图1 3 高性能电子镇流器的电路结构 f i g 1 3b l o c kd i a g r 姗o f h 袖p e r f o 曲a n c ee l e c 仃o n i c b a l l 鹅t 高性能电子镇流器电路结构如图1 3 所示。电路中r f l 和e m i 滤波电路将来自电网 的射频干扰和电磁干扰滤除，同时防止镇流器电路产生的射频干扰及电磁干扰进入电 网，起到双向隔离作用。桥式整流电路将输入交流2 2 0 v 巧0 h z 市电变换成3 0 0 v 左右的 直流脉动电压，经功率因数校正后加至高频逆变电路。通过灯电路匹配网络将高频逆变 电路输出的高频交流电供给荧光灯。灯电路匹配网络除了传递电功率之外，还要完成荧 光灯灯丝的预热、灯管工作状态信号的取样、反馈及阻抗匹配变换等功能。灯工作状态 的反馈信号取自灯电路匹配网络和调光信号，经控制电路完成逆变电路中开关器件的控 制【4 】。 灯负敛 紫外线消毒灯用可调光电子镇流器的研究 1 3 2 电子镇流器的发展 从发展时间上划分，荧光灯电子镇流器的发展可分为三个阶段【2 j 。 第一阶段，是8 0 年代中期到9 0 年代初期。在这一时期，电力电子技术从低频向高 频发展，出现了有源功率因数校正技术，谐波抑制技术也开始起步，国内外的相关法规 和法令已出台或即将出台，电子镇流器的优缺点已经显露。这一阶段开发的电子镇流器 具有两个明显特征：其一是镇流器的输入端采用不可控整流和大电容滤波，造成了输入 电流的严重畸变、谐波失真严重、中线电流在增加、甚至造成了多起重大火灾事故，即 节能引起了新的电网污染。而且当滤波电容的容量不足时，逆变器直流母线上有一个 1 0 0 h z 的交流成分，造成灯的频闪现象，缩短了灯的寿命。有人把这阶段的产品称为第 一代电子镇流器。其二，采用无源逐流技术进行功率因数校正和谐波抑制，使得p f o ，9 ， 掰d 3 0 ，但是九次谐波超标。由于直流母线上的1 0 0 h z 交流成分的影响，使得波峰因 子c f m 2 ，超过标准，有人把这种电路称为第二代电子镇流器。 第二阶段是9 0 年代初期到9 0 年代中期。这时，a p f c 技术业已成熟，一些大的集 成芯片公司已推出专用芯片，其典型电路多采用两级功率变换器，即输入级由b 0 0 s t 型 p f c 电路和d 类功率逆变器组成。通常把这类电路称为第三类电子镇流器。由于采用了 a p f c 电路，p f = o 9 9 ，删d 以及各次谐波均满足要求。但是效率约为8 0 9 0 ，甚 至更低。更重要得是成本太高，只适合制作高中档产品，很难被家庭民用接受，出现省 电不省钱的现象。 第三阶段的典型电路是单级多功能电子镇流器。单级电子镇流器的发展分为两个主 要思路，其一是，e c 提出的电荷泵电路，它是在d 类功率变换器基础上发展起来的， 其主要技术指标是p f o 9 9 5 ，强国 o 9 8 ，碍 1 0 ，c c f 1 7 。同时， 采用预热软启动、零电压开关( 谐波逆变) 、电磁兼容( e m c ) 等新技术，使性能、可 靠性进一步提高。缺点：电路较复杂，成本及生产工艺难度相对提高。但多管驱动镇流 器( 如2 4 0 w 以上) 多半采用此技术，成本相对下降。 ( 4 ) 第四代：高性价比电子镇流器 九十年代起开发，特点是采用集成技术，省去振荡电路和磁环等，将部分元器件制 成专用集成电路( a s i c ) 或混合厚膜电路，并采用有源谐振电路使逆变器线路简化，同 时，广泛采用表面贴装器件( s m d ) 和技术( s m t ) ，大大提高产品性价比和可靠性， 是镇流器发展的主流。 ( 5 ) 第五代：特种电子镇流器 九十年代中、末期，根据市场需要，相继开发出可调光、光控电子镇流器，并在高 强度气体放电灯( h i d ) 电子镇流器研制中取得进展。电子镇流器在气体放电灯一自镇 流荧光灯中几乎全部取代了电感式镇流器。 紫外线消毒灯用可调光电子镇流器的研究 2 有源功率因数校正电路的设计 2 1 功率因数校正原理 2 1 1 功率因数与谐波失真的概念 功率因数( 只f ) 是指交流输入有功功率( ，) 与输入视在功率( s ) 的比值【l 】f 3 】f 4 】 即 p f 匕三塑! ! z 三l xc os 中yc o s 中( 2 1 ) s v 1 【州【删 式中： 表示基波电流有效值：表示输入电流有效值；y 。l ，表示输入电流 m 失真系数。c d ，函表示基波电压、基波电流相移因数。所以功率因数可以定义为输入电 流失真系数( r ) 与相移因数( c o ) 的乘积。 可见功率因数( 只f ) 由电流失真系数( r ) 和基波电压、基波电流相穆因数( c ) 决定。so 越低，则表示电气设备的无功功率越大，设备利用率越低，导线、变 压器绕组损耗越大。同时，y 值越低，则表示输入电流谐波分量越大，将造成输入电流 波形畸变，对电网造成污染，严重时对三相四线制供电，还会造成中线电位偏移，致使 电气设备损坏。 相移因数( c 中) 减少了对供电线路的有效能量传送致使无功功率在供电线路 上传送，降低了供电线路效率。由于常规整流设备装置使用非线性器件，整流器件的导 通角小于1 8 0 。，从而产生大量谐波电流成分，而谐波电流成分不做功，只有基波电流 成分做功。所以相移因数( ，西) 和电流失真系数( r ) 相比，输入电流失真系数( r ) 对供电线路功率因数( 尸f ) 的影响较大。 为了改善供电线路供电质量，提高供电线路功率因数，保护用电设各，世界上许多 国家和相关国际组织制定出相应的技术标准，以限制谐波电路含量。如1 e c 5 5 5 ，2 、 i e c 6 加0 0 3 2 、e n 6 0 5 5 5 2 等标准，他们规定了允许产生的最大谐波电流。我国于1 9 9 4 年颁布了电能质量公用电网谐波标准g b ，r 1 4 5 4 9 4 9 。 而采用普通非线性器件( 如二极管、晶体管等) 的常规整流装置已不符合这些标准 要求。传统的功率因数概念是在假定输入电流无谐波电流( 即厶= 或r = 1 ) 的条件 下得到的，这样功率因数的定义就变成了只f = c 。s 口。 一般来说，如果不采取功率因数校正电路，电子镇流器的功率因数都较低，输入电 流中基波分量只占其中一小部分，而二次及其以上的各个谐波含量却十分丰富，它们的 流中基波分量只占其中一小部分，而二次及其以上的各个谐波含量却十分丰富，它们的 大连理工大学硕士学位论文 总有效值甚至比基波的有效值还要大。为了说明谐波含量的多少，引入了电流总谐波失 真( 删d ) 这个参数，其定义为 册。丝蔓! 笠x 1 0 0 ( 2 2 ) l 式中如、厶厶分别表示2 次、3 次n 次等各次谐波电流的有效值。 从而得到功率因数( 盯) 和谐波失真( 珏) 两者之间的关系为 即1 鸟c o s 中 ( 2 3 ) 1 + ( 珏) 2 电流总谐波失真( 珏) 愈大，则功率因数( 即) 愈小，反之亦然，两者是相互关 联的为了提高电器设备的功率因数( p f ) ，要尽量使强d 值接近于零，并使咖接近于 零。改善整流滤波电路功率因数的关键就是要减小删d 值。目前通常采用有源功率因 数校正( a p f c ) 技术来改善开关整流电路的功率因数。经过a p f c 后，整流滤波电路 的肝值接近1 ( 大于o 9 9 ) ，波形失真系数y 小于3 ，删d 1 0 。 当西= 0 时( 为了方便计算) ，尸f 与删d 间存在表2 1 所示的关系。 表2 1 中= 0 时，己知p f 值得到 d 的结果 t 曲2 1t h e 蚴o b t a i n e d 如m 盯w h 如中= o p f o 5 8 1 2 l o 9 9 0 3o 9 9 5o 9 9 8 7 50 9 9 9 5 5 ”z d ( 计算值) 1 4 0 1 41 053 强( 实测值)77 4 ” 由表可见，当删d 5 时，用7 值可控制在o 9 9 9 左右。 现已有强制性的电气国际标准，对功率因数( p f ) 和总谐波失真( 强国) 提出了严 格的要求，以提高电气的功率效率和抗干扰性，所以对作为节能产品的电子镇流器技术 要求更加严格。m c 有关总谐波失真的要求如表2 2 所示。 表2 2i e c 6 1 0 0 0 _ 3 2c 类用电设备的谐波成分限制 谐波次数谐波电流与基波电流的百分比谐波次数 谐波电流与基波电流的百分比 2277 33 0 9 5 51 01 1 n 3 9 3 注： 表示线路功率因数。 紫外线消毒灯用可调光电子镇流器的研究 电子镇流器产品要求满足正c 6 1 0 0 0 3 2 高至3 9 次的技术要求，其他一些国家也制 定了类似于瑾c 6 1 0 0 0 3 - 2 的技术标准。 电流波峰系数( c c f ) 也称为电流波峰比，定义为经调制或非调制的包络波的电流 峰值与电流有效值的比值。 在我国g b 厂r1 7 2 6 3 2 0 0 2n e qm c 6 09 6 9 2 0 0 0 标准中虽未规定对c c f 的要求，但 一般希望c c f 1 7 ，否则会导致灯管的寿命降低，灯管早期发黑。这是因为在整流后的 1 0 0 h z 频率下某段时间内灯电流过大，超过灯丝电子发射的极限值，加速了灯管的损坏。 其次，由于灯管电流的起伏很大，光通量的起伏也很大，造成亮度的频闪，长时间 在这种光源下工作，容易引起人们的视觉疲劳，视力下降，对视力造成损害。 第三，直流电压起伏太大，无法使三极管始终处于最佳工作状态，造成灯管损耗变 大，温升过高，参数恶化，使电子镇流器寿命降低，甚至会引起镇流器早期失效。 2 1 2 不良功率因数的来源与改善 由p f = r c 中可知，p f 值主要由两个因数决定：一是输入基波电流与输入基波电 压的相位移o ，另一个是输入电流的波形失真因数”。 由整流二极管和滤波电容组成的整流滤波电路应用十分普遍，价格低廉、可靠性高 是它的突出优点，但对公共电网污染却十分严重1 2 2 】【2 3 】。主要存在的问题有： 启动时产生很大的浪涌冲击电流，为正常工作电流的十几倍至数十倍。 正常工作时，一般整流滤波电路由于导通角很小，形成一个幅度很高的窄脉冲， 电流波峰因数( c c f ) 值很高；电流总谐波失真( 强渺) 通常超过l o d ，同时引起输 入电压波形的畸变。 功率因数( 尸f ) 很低，一般为o 5 o 6 。 电子镇流器的a c ，d c 前端电路通常由桥式整流器和大容量滤波电容器组成。在这 种电路中，只有当线路峰值电压超过滤波电容器两端的电压时，整流元件中才会有电流 通过，整流二极管导通角很小。 由于大容量滤波电解电容器的存在，整流二极管的导通角( o ) 远小于1 8 0 。，一 般只有6 0 。左右，因而导致交流输入电流不再是正弦波，输入电流出现严重失真，是一 尖窄脉冲，不仅使输入交流电压和输入电流之间产生附加相移，而且产生大量高次谐波， 致使功率因数( 尸f ) 严重降低。 感性负载或容性负载均会使输入交流电压和电流之间产生附加相移，使功率因数和 电能利用率降低：非阻性负载还会产生严重的谐波失真，对电网产生谐波干扰。为了减 少对公共电网的干扰，世界各国根据自己的条件和市场状况，对电子镇流器输入侧功率 大连理工大学硕士学位论文 因数和电流谐波提出了不同的要求和规定了不同的标准。因而，电子镇流器产品如何提 高整流滤波电路部分的功率因数，降低输入电流的谐波成了重要的研究课题【2 4 2 8 】。 由于电流的升降速度比输入电压的升降速度快，并且输入电流不连续，所以产生了 一系列高次谐波，致使电路功率因数降低至0 6 o 7 ，所以不良功率因数主要来源于整 流电路电流波形的严重畸变。 在国内外的电子镇流器产品中，为了改普电子镇流器的功率因数( p f ) 和总谐波失 真( 矾d ) ，采用了不同的整流滤波电路【2 。4 批3 3 1 。归纳起来主要有：l c 整流滤波电路、 l c 谐振式整流滤波电路、逐流式( 填谷) 整流滤波电路、直流反馈式整流滤波电路、 高频反馈式整流滤波电路和有源滤波电路( 有源功率因数校正) 。这里主要介绍有源功 率因数校正( a p f c ) 电路的工作原理及其实现方法。 2 2 有源功率因数校正的工作原理 2 2 1 有源功率因数校正的特点 这类功率因数校正电路都要用到专用的集成电路、晶体管及一些外围元器件。因为 涉及到有源器件，所以称为有源功率因数校正( a p f c ) 电路【3 】【4 】【2 9 瑚】。 有源功率因数校正电路能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪校正，而且校正特性不 受电网阻抗、负载阻抗的影响，所以与无源功率因数校正相比具有校正特性好的优点， 因而近些年来得到了广泛的应用。现在有源功率因数校正的控制电路一般都采用集成电 路。 高频有源功率因数校正是抑制谐波电流、提高功率因数的有效方法。其工作原理框 图如图2 1 所示。 图2 1 a p f c 工作原理框图 f 培2 1b 1 0 c kd i a g r a mo f a p f co p e r a n o np r i n c i p l e 紫外线消毒灯用可调光电子镇流器的研究 交流输入电压经全波整流后，再经d c d c 变换，通过相应的控制使输入电流平均 值自动跟随全波整流电压基准值，并保持输出电压稳定。a p f e 电路有两个反馈控制环： 电流控制环使d c d c 变换器输入电流与全波整流电压的波形相同，输出电压控制环使 d c ，d c 变换器输出直流电压稳定为已直流稳压源。 a p f c 电路基本工作原理是通过控制电路强迫输入电流跟踪输入电压，实现输入电 流正弦化，并与输入电压同步，其作用根当于一个纯电阻，所以a p f 又叫电阻仿真爨 ( r e s i s t o re m u l a t o r ) 。其中关键电路是乘法器和除法器。高频有源功率因数校正电路的 特点有： 有平滑的输入交流电流波形； 高功率因数，p f 可达0 9 9 以上； 低总谐波失真，珏国 1 0 ； 宽输入电压范围，可达9 0 2 7 0 v ； 直流输出电压稳定。 高频有源功率因数校正是电子镇流器应用的重要发展方向之一，由于高频有源功率 因数校正的效果好，所以得到了广泛应用。它主要有以下优点： 交流输入电压变化范围宽； 由于直流输出电压稳定，在电网电压变化时灯功率也比较稳定。 有源功率因数校正能使输入电流的平均值基本上按输入电压的正弦波形变化，功率 因数可以达到o 9 9 左右；输入电流的总谐波失真豫d 1 0 ；电解电容器上电压平滑而 稳定，输出功率保持稳定，不随输入电压而变化；灯管电流波峰因数c ( 汐接近1 4 。由 于有源功率校正具有只f 值高、性能指标好和集成控制电路品种齐全的突出优点，在实 际应用中占有很大的优势。 2 2 2 有源功率因数校正电路的基本类型 一般有源功率因数校正电路置于桥式整流器和电解电容器之间，其电路形式和开关 电源相似，主要有三种形式 3 - 5 i 3 3 。8 1 ，如图2 2 所示，其输入是整流后的单向正弦电压。 图中开关s 一般都由m o s 管来担任，并由专用集成电路以较高的频率控制和驱动， 使之导通与截止，达到功率因数校正的目的。电解电容器c 0 上的直流电压，可能比输 入的已整流电压v d c 高( 图( a ) ，称为升压型) 或低( 图( b ) ，称为降压型) 。图( c ) 采用隔离变压器。使已整流电压v d c 和c o 输出直流电压隔离，没有共地端，它的输出 电压可能高于或低于输入直流电压( 由变压器的匝数比决定) 。由于专用集成电路的控 制，电容c 0 上的输出直流电压在输入电压较宽范围内波动时，仍有稳定的输出，用来 l 4 一 大连理工大学硕士学位论文 给半桥逆变器供电，使输出功率基本保持恒定不变。 l v d s l p 。r u 一 ：下 、 匹 ( c ) 图2 2 a p f c 的三种类型 f i g 2 2t h r e et y p e so f a p f c 由于升压型( b o o s t ) 变换器具有电感电流连续，储能电感也可以用作滤波器抑制 r f i 和e m i 噪声，电流波形失真小，输出功率大及共源极工作，驱动电路简单等优点， 所以，在电子镇流器中大多采用升压型有源功率因数校正电路，在输入为2 2 0 v 的交流 电压下，c 0 上的直流电压可以选定为4 0 0 v 。提高直流电压，有利于灯管的启辉，减小 工作电流和损耗，从而提高效率。 2 2 3 有源功率因数校正电路的工作原理 升压型a p f c 电路的工作原理【3 】【4 】