学位论文低频无极灯照明系统的研究（PDF格式可编辑） .pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 高频无电极电磁感应荧光灯 简称无极灯 采用磁场激发气体放电发光的原理 无极灯 照明技术从原理上与传统的荧光灯 紧凑型荧光灯 白炽灯 卤钨灯等电极放电发光的原理 大不相同 突破传统光源的技术瓶颈 是一门跨学科的新兴技术 无极灯是综合应用功率电 子学 光学 磁性材料学 等离子体学等领域最新科技成果研制出来的高新技术产品 具有 长寿命 高光效 高显色性 无频闪 可立即启动和再启动 不怕震动等优势 具有广阔的 发展前景 本文首先介绍了高频无极灯的发展状况 深入研究了无极灯的发光原理 对比地 研究分析了高频和低频无极灯各自的原理 优缺点 成品造价 应用以及市场情况 重点分 析了稳态工作时无极灯的变压器等效电路模型及电子镇流器的原理和分类 并根据低频无极 灯的工作特性设计匹配的电子镇流器 功率为8 0 w 首先 采用双级电子镇流器结构作为无极灯电子镇流器的主电路拓扑模型 分别实现功 率因数校正与高频逆变 两者互不干扰 易于控制且电路可靠性高 第二 由于升压型临界 连续模式 电流峰值控制模式的有功率因数校正技术具有控制电路较简单 可实现零电压导 通 功率因数高的优点 适用于中小功率的电源产品 因此本电路采用摩托罗拉公司生产的 m c 3 3 2 6 2 芯片设计一款有源功率因数校正电路 应用于8 0 w 低频无极灯电子镇流器中 降 低谐波干扰 稳定输出电压 使整个电路系统的功率因数高达0 9 9 第三 采用他激式半桥 逆变谐振电路作为无极灯的高频逆变及点灯电路 工作频率为2 5 0 k h z 是无极灯电子镇流 器的核心部分 第四 分析整个照明系统的电磁干扰来源 设计合理的e m i 滤波器 抑制 来自电网的射频干扰和电磁干扰 并防止电源本身产生的射频干扰及电磁干扰进入电网 起 到双向隔离作用 使其符合国家制定的e m c 标准 最后 根据如前介绍的理论分析和设计过程 制作一个8 0 w 的低频无极灯电子镇流 器 包括e m i 滤波电路 m c 3 3 2 6 2 为核心的功率因数校正电路 n e 5 5 5 和l 6 3 8 4 共同组成 半桥逆变及谐振电路等 点亮无极灯 并维持其稳定工作 该无极灯电子镇流器具有电路简 单 成本低 易于控制 工作频率低 更易符合相关的e m c 标准等优点 具有广泛的应用 前景 关键词 无极灯 电子镇流器 有源功率因数校正 半桥逆变 谐振 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fh i g h f r e q u e n c ye l e c t r o d e l e s sf l u o r e s c e n tl a m ph a sb r e a k e dt h et r a d i t i o n a l f l u o r e s c e n tl a m p s c o m p a c tf l u o r e s c e n tl a m p i n c a n d e s c e n ta n dh a l o g e nw h i c hu s et h ee l e c t r o d et o e m i tl i g h t t h ep r i n c i p l ei st h a tt h em a g n e t i cf i e l de x c i t e dt h eg a st oe m i tl i g h t i ti sa ne m e r g i n g i n t e r d i s c i p l i n a r yt e c h n o l o g y a n di t i sah i g ht e c h n o l o g yp r o d u c t w h i c hg e n e r a l l ya d o p tp o w e r e l e c t r o n i c s o p t i c a l m a g n e t i cm a t e r i a l ss c i e n c e p l a s m as c i e n c ea n do t h e ra r e a s s c i e n t i f i ca n d t e c h n o l o g i c a la c h i e v e m e n t s t h ee l e c t r o d e l e s sl a m ph a sm a n ya d v a n t a g e s s u c h 鹤l o n gl i f e h i g h l u m i n o u se f f i c i e n c y h i g hc o l o r n of l a s h c a ni m m e d i a t e l ys t a r ta n dr e s t a r t n o ta f r a i do fs h a k i n g a n ds oo n b e i n gar o o k i eo f g r e e nl i g h t a r e a s t h e ya r ew i d e l yu s e di ni n d o o rl i g h t i n g l a r g e a r e a so f m a l l s p l a n tl i g h t i n g s t r e e tl i g h t i n g u r b a nl a n d s c a p el i g h t i n ga n do t h e rs p e c i a lv e n u e s l i g h t i n g h o w e v e r t h el a m pa l s oh a ss h o r t c o m i n g s l u m i n o u se f f i c i e n c yi sn o th i g he n o u g h s e r i o u s e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e f e w e rs p e c i e s h i g hc o s t s i ti s o fg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et o r e s e a r c ha n dd e v e l o pt h ee l e c t r o d e l e s sl a m pl i g h t i n gs y s t e mw h i c hi sh i g h p e r f o r m a n c e l o w c o s t r e l i a b l e a tf i r s t t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n to fh i g h f r e q u e n c yd i s c h a r g el a m pa n dt h e a p p l i c a t i o no fl o w f r e q u e n c yd i s c h a r g el a m p a n a l y s i si t sp r i n c i p l ea n ds t u d yt h es t e a d y s t a t e t r a n s f o r m e r se q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l i n t r o d u c et h ep r i n c i p l ea n dc l a s s i f i c a t i o no fe l e c t r o n i c b a l l a s t s t h e na c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fl o wf r e q u e n c ye l e c t r o d e l e s s d e s i g na 8 0 we l e c t r o n i cb a l l a s t sm a t c hw i t l lt h el a m p f i r s t 弱t h es t e p c r i t i c a lc o n t i n u o u sm o d e p e a k c u r r e n tc o n t r o lm o d e sp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc o n t r o lc i r c u i ti sr e l a t i v e l ys i m p l e c a na c h i e v et h e a d v a n t a g e so fz e r o v o l t a g et u m o n h i g hp o w e rf a c t o r s ot h i sp a p e ru s e st h em c 3 3 2 6 2c h i pt o d e s i g na np o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i t u s e di nt h e8 0 wl o wf r e q u e n c ye l e c t r o d e l e s sl a m p s e l e c t r o n i cb a l l a s t s r e d u c i n gh a r m o n i ci n t e r f e r e n c e s t a b l i n go u t p u tv o l t a g e s ot h a tt h et h ep o w e r f a c t o ro ft h ew h o l ec i r c u i ts y s t e mr e a c hu pt o0 9 9 s e c o n d u s et h ee x t e r n a lo s c i l l a t i n gh a l f b r i d g e r e s o n a n ti n v e r t e ra st h el i g h t i n gc i r c u i t b e c a u s et h es w i t c hf r e q u e n c yi s2 5 0 k h z t h ec i r c u i t s t r u c t u r ei ss i m p l ea n de a s yt oc o n t r 0 1 a tl a s ta n a l y s i st h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c es o u r c e so f t h ee n t i r e l i g h t i n gs y s t e m t h e nd e s i g n ar a t i o n a le m if i l t e r s u p p r e s st h ee l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c ea n dr fi n t e r f e r e n c ef r o mt h e 鲥d a n d p r e v e n t t h er fi n t e r f e r e n c ea n d e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c eg e ti n t ot h ep o w e rg n df r o mp o w e rs u p p l yi t s e l f p l a y i n gt h er o l eo f t w o w a yi s o l a t i o n a c c o r d i n g 诵t l lt h es t a t ee m c s t a n d a r d s h 杭州电子科技大学硕士学位论文 f i n a l l y m a k ea8 0 wl a m pe l e c t r o n i cb a l l a s ta c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dd e s i g n p r o c e s sp r e v i o u s l yd e s c r i b e d i tu s et h et w o s t a g ec i r c u i tt o p o l o g ya sa w h o l e c i r c u i t i n c l u d i n gt h e e m if i l t e rc i r c u i t t h em c 3 3 2 6 2c h i pa st h ec o r eo fp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i t n e 5 5 5t o g e t h e r w i t hl 6 38 4c o n s t i t u t et h eh a l f b r i d g ei n v e r t e ra n dr e s o n a n tc i r c u i t s l i g h t i n gl a m p a n de n s u r ei t s s t a b i l i t yw o r k k e y w o r d e l e c t r o d e l e s sl a m p e l e c t r o n i cb a l l a s t a c t i v ep o w e r f a c t o rc o r r e c t i o n h a l f b r i d g ec o n v e r t r e s o n a n t i i i 杭州电子科技大学硕士学位论文 目录 摘要 i a b s t r a c t i i 目蜀乏 i v 1 前言 1 1 1 课题研究背景 1 1 1 1 无极灯的诞生 1 1 1 2 无极灯的原理及特点 l 1 1 3 无极灯的分类 3 1 2 国内外研究现状及发展趋势 6 1 3 论文的主要工作 8 2 无极灯及电子镇流器系统分析 9 2 1 无极灯模型分析 9 2 2 电子镇流器的介绍及分类 1 0 2 2 1 按电路拓扑结构分类 1 l 2 2 2 按逆变方式分类 1 4 2 2 3 按开关管驱动方式分类 18 2 3 无极灯电子镇流器电路关键技术分析 19 2 4 本章小结 2 2 3 有源功率因数校正电路的设计 2 3 3 1m c 3 3 2 6 2 有源功率因数校正的原理 2 3 3 1 1 功率因数校正技术的分类 2 3 3 1 2m c 3 3 2 6 2 芯片的工作原理 2 7 3 2 基于m c 3 3 6 2 有源功率因数校正的设计 2 8 3 2 1 硬件电路的设计 2 8 3 2 2 相关的计算 2 9 3 3 实验结果及小结 3 0 4 半桥逆变谐振回路的设计 一3 4 4 1 基于n e 5 5 5 与l 6 3 8 4 的半桥驱动电路 3 4 4 2 串联谐振回路的分析及设计过程 3 7 4 2 1 无极灯半桥谐振回路工作分析 3 7 i v 杭州电子科技大学硕士学位论文 4 2 2 谐振回路的设计 3 9 4 3 实验结果 4 0 5e m i 抗干扰电路的设计 4 3 5 1 照明系统中的电磁干扰 4 3 5 2e m i 滤波器的设计 4 4 5 2 1 元器件的选择 4 5 5 2 2 其他抗干扰措施 4 7 5 3 实验结果 4 8 6结论与展望 5 0 致 射 5 2 参考文献 5 3 附录 5 6 v 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 前言 1 1 课题研究背景 1 1 1 无极灯的诞生 迄今人类已经发明了许多种类的电光源来延伸白昼 照亮黑夜 使人类的生活变得更加 丰富多彩 同时给社会财富的创造带来巨大的贡献 这些光源有最早爱迪生发明的白炽灯及 相继造福人类的荧光灯 紧凑荧光灯 卤钨灯 金卤灯 低压钠灯 高压钠灯 高压汞灯 高压氙灯等等 每种光源都有它独特之处 但在突出其优点的同时却避免不了自身的缺陷 不能兼顾环保 节能等高照明品质 例如 白炽灯有高显色性 高功率因数 立即启动的优 点 但光效低 寿命短 气体放电灯光效高 寿命相对延长 但使用了不可回收的汞剂 造 成环保方面的问题 且各种气体放电灯大多数不能立即启动或再启动 存在功率因数低等缺 点 就原理而言 白炽灯 卤钨灯属于热辐射光源 其他都属于弧光放电灯 但无论热辐 射还是弧光放电 他们无一例外地使用了灯丝或电极 而灯丝 电极的溅射效应正是限制光 源寿命的必然因素 随着社会的进步 经济的发展 传统能源日渐匮乏 环境问题日益严重 保护环境 节 约能源已成共识 在照明领域中 人们一直都在寻求一种高发光效率 高显色性 稳定性 高 无频闪 长寿命且符合环保要求的新光源 并能达到提高工作效率 降低电能消耗 降 低人工维护费用的作用 于是 一种集合现代多种电光源优点为一体的新光源 无极灯应 运而生 1 1 1 1 2 无极灯的原理及特点 高频电磁感应等离子体放电无极荧光灯 简称无极灯 如图1 1 所示 由高频发生器 功率耦合器和灯泡三部分组成 高频发生器即无极灯电子镇流器 将市电转换为高频交变电 压 功率耦合器为一个绕在磁棒上的电感线圈 嵌入灯泡内 灯泡为充有稀有气体和固体汞 齐的密闭空腔 其发光原理为 高频发生器得到适当的电压 如市电 时产生高频交变电 压 根据法拉第电磁感应定律 高频电流经过电感线圈时产生相应的高频强磁场 该高频强 磁场促使灯泡内的固体汞齐蒸发 放电形成等离子体 等离子体的受激原子返回基态时自发 辐射出紫外线 激发泡内壁上的三基色荧光粉发出可见光 杭州电子科技大学硕士学位论文 图1 1 高频无极灯结构原理图 无极灯被点亮之后 灯泡内气体的导电性增强 电感线圈上的交变电流在磁芯中产生的 交变磁场 在灯泡内感应出圆周方向的交变涡流电场 如图1 2 所示 此时带电粒子在涡旋 电场的作用下作交变的加速运动 形成等离子电流 增强与汞原子碰撞的频率 引起汞原子 的强烈电离 故放电 发光得以维持 2 1 不 蠢频电流麓入 予体电巍 图1 2 无极灯发光原理图 无极灯的工作原理决定其具有光效高 寿命长 显色性好 无频闪等特点 如表1 1 所 表1 1 无极灯主要特征和优越性 主要特征优越性 灯内无电极 灯丝 工作频率高 1 4 0 k h z 以上 节能效果好 光效高 时启动 再启动 高显色性 使用可回收的固体汞齐 超长寿命 数万小时 高可靠性和少维护 无频闪 低眩光 照明舒适无污染 比白炽灯节能8 0 比节能灯节能2 0 无需灯丝预热 高效节能 适用于大规模使用 颜色统一 不变色 降低污染 符合环保 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 以8 5 w 高频无极灯为例 与其他种类的光源比较 如表1 2 所示 节能效果一目了然 表1 2 无极灯与白炽灯 高压钠灯 节能灯的比较 参数无极灯节能荧光灯高压钠灯白炽灯 因此 无极灯以其高光效 高显色性 长寿命 无频闪 可立即启动和再启动 不怕震 动等优势 成为 绿色照明 领域的一枝新秀 可广泛应用于室内照明 道路照明 城市景 物照明 大面积的商场 厂房照明和特殊场所照明 如温室蔬菜植物棚 水下灯 博物馆等 对照明有特殊要求的场合 尤其适用于照明器材更换不便的桥梁 隧道和高建筑的照明工程 中 然而 无极灯的不足之处在于 光效有待提高 目前系统光效只有6 5 1 m 1 w 7 5 1 m 1 左 右 功率不够大 高频无极灯功率一般可做到1 8 5 w 低频无极灯为4 0 0 w 电磁干扰与电 磁辐射严重 由于无极灯是利用微波激发荧光粉发光 且电子镇流器的工作频率高 整个照 明系统电磁干扰与辐射干扰严重 散热与效率问题 工作过程中 耦合电感线圈的发热较严 重 热损耗大 影响整个照明系统的效率 成本高 品种少 适用范围与市场发展都受到严 重限制 3 因此 研制高效能 低成本 高可靠性的无极灯照明系统 还有很多工作要做 也是本论文研究内容之所在 1 1 3 无极灯的分类 按照能量耦合方式 可将无极灯分为三类 微波耦合式 电容耦合式 电感耦合式 即 微波硫磺灯 电容式无极灯和电感式无极灯三种 微波耦合无极灯中电能传递的方式是 电能从磁电管经波导进入微波谐振腔内转换成电 磁场能 再转化为腔内气体分子偶极子的位能 最后释放为光能和热能 如图1 3 所示 为 微波耦合电路示意图 微波硫磺灯是微波技术在电光源照明中的典型应用 图1 3 微波电路示意图 3 堕型皇王型垫奎兰堡主堂篁笙窒 电容式无极灯中电能传递的方式是 高频发生器输出的电能首先转化为电容极板的电场 能 然后再传递到放电腔室 成为灯泡空腔内的电能 如图1 4 所示 电容耦合式又分为电 容极板外置式和内置式两种 常见外置式如笔记本电脑液晶显示屏的背光灯 内置式有高频 荧光灯 即冷阴极荧光灯 1 4 图1 4 电容耦合式送电原理不恿图 电感式无极灯即目前常用的高频无极灯 能量传递方式如前介绍 高频激励发生器向线 圈通入高频电流 励磁线圈将电能转化为磁场能 磁场能又感应涡旋电场使等离子体放电 按照工作频率 无极灯主要有以下四种类型 1 低压气体高频无极灯 工作频率为2 2 3 0 m h z 工作频率高 无频闪 一般采 用泡型内置耦合器 如图1 5 所示 发热问题较严重 需要一定的散热装置 耦合器体积受 到整体灯泡体积的限制 不能制造大功率产品 一般为2 0 w 1 6 5 w 图1 5 泡型耦合器内置高频无极灯 2 低频无极灯 工作频率为1 4 0 k h z 2 5 0 k h z 电子镇流器与电感线圈的耦合频率 为2 5 0 k h z 灯泡工作在中低频率状态下 大大降低制造难度 制造成本低 结构上多采用 矩形 环形灯泡 需要配备专门的灯具 如图1 6 所示 灯泡采用外置耦合器 散热效果 好 因而能制造2 0 0 w 4 0 0 w 的低频无极灯和小功率的一体化无极灯 杭州电子科技大学硕 学位论文 图1 6 常用的低频无极灯和一体化无极灯 3 微波灯 将存储有惰性气体和少量金属盐的灯泡作为光源 经2 4 g h z 的微波照射 后 灯内产生的等离子体蒸发 促使金属盐和灯泡发光 光线明亮 柔和 光效达 1 2 0 l m w s l 如图1 7 所示 为用于景观照明的微波灯 图1 7 微波灯 4 h i d 高压气体无极放电灯 工作频率为1 3 5 6 m h z 如金属卤化物无极灯 目前 仍在研发阶段 未有产品上市 综上所述 高频无极灯常用的工作频率为 2 6 5 m h z 2 5 0 k h z 1 3 5 6 m h z 2 4 5 0 m h z 低压气体高频无极灯通常使用2 6 5 m h z 因为该频率介于广播波段中波 5 2 5 k h z 1 6 0 2 k h z 与短波 2 2 m h z 2 5 m h z 之间的少有使用频段 国际电工委员会 c i s p r l 5 允许对磁场感应放宽标准的频率范围从2 2 m h z 3 0 m h z 此频率对电路技术的制 造也较为有利 而1 3 5 6 m h z 的3 次谐波 5 次谐波和7 次谐波辐射会分别不同程度地干扰 电视接收机的2 5 7 频道 而且制造成本稍高 较少采用 6 以2 5 0 k h z 为主的低频无极 5 杭州电子科技大学硕士学位论文 灯由于使用更低的频率 制造难度相对较小 更易通过相关电磁干扰标准 且可制造小功率 的一体化无极灯 已经开始慢慢的走向市场 占领一席之地 1 2 国内外研究现状及发展趋势 高频等离子体放电无极荧光灯照明技术是 f 跨学科的新兴技术 是综合应用光学 等 离子体学 磁性材料学 功率电子学等领域的最新科技成果研制出来的高新技术产品 早在 9 0 多年前 美国人泰斯勒 汤普森等人就己发明了无极灯 由于受时代科技水平的限制 直 到2 0 世纪9 0 年代后期 随着新技术的迅猛发展 电子元器件集成化 模块化 智能化 才 使无极灯进入商品领域 自无极灯问世以来 世界各国的大型照明企业特别是日本松下 荷 兰飞利浦 德国欧司朗 美国通用公司等 都对无极灯进行了大量的研究与实践 取得了许 多成果和实质性的进展 如表1 3 所示 表1 3 各国高频无极灯研究进展 我国无极灯的研究工作始于1 0 多年前 目前已取得许多成果 特别是高频功率电子技 术的创新和突破 使无极灯照明产品工作可靠性大大提高 体积大大缩小 国内的上海宏 源 深圳格林莱 福建源光亚明 北京又天科技等一批企业也在无极灯领域进行了大胆的尝 试 开发出一系列产品 2 0 0 3 年 上海宏源照明电器有限公司把大规模集成电路技术应用 到光源制造业 成功发明了低频无极灯 并成功地将其推向市场 2 0 0 5 年 浙江大学电子 信息技术与系统研究所与元光德企业合作开发的射频无极灯技术 成功地突破了成本瓶颈 使无极灯的造价大幅度降低 2 0 0 7 年后 随着顺祥公司 正信集团先后进入无极灯领域 无极灯的品牌推广 市场化推广已成大势所趋 成为光源市场一支不可小觑的力量 无极灯正是以它优越的节能环保性能 顺应节能减排 环保的大趋势 不断地得到市场 的肯定与好评 一种新事物能不能持续发展 关键的一点是要顺应历史发展趋势 符合市场 的长期需求 因此 在我国能源供应日趋紧张的背景下 更要加快研制生产高效能 低成 本 高可靠性的无极灯节能系列照明产品 1 提高光效 无极灯泡体与整机的效率要进一步提高才能更好地体现节能 降低电 能损耗 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 更长的寿命 更高的可靠性 目前无极灯的光衰 寿命 测试尚未能达到6 万小 时的记录 而从3 万小时的实测记录看来 其发展趋势是乐观的 在散热技术方面 包括灯 泡 耦合器和电子镇流器的散热 虽已达到基本要求 但均需再作提高 才能进一步延长无 极灯的使用寿命 提高效率 使其能够适应不同的环境 3 高性能电子镇流器 电子镇流器是无极灯的核心 其发展方向为高功率因数 低 谐波 电磁干扰小 高效率 高可靠性 要求功率因数可达0 9 9 以上 电流总谐波降低到 8 以下 能在1 2 0 v 2 6 5 v 的宽电压输入范围内保持恒压输出 同时输出稳定的光通 具 有各种保护功能 如短路保护 开路保护 灯管异常保护等 散热性能好 长时间工作整机 温度保持在规定的范围 抑制辐射 传导干扰 符合国家制定的e m c 指标 因此 需不断 的研制高效能 高可靠性的电子镇流器 4 多样化 小型化 无极灯主要用于公共照明 灯泡外形 色彩比较单一 大多为 圆形 矩形 球状泡体 如图1 8 所示 需用发散与借鉴的思维 不断开发新品种 做到功 能性与装饰性的完美统一 才能有更广阔的市场空洲刀 a 方型低频无极灯 b 球型高频无极灯 c 橄榄型分体化高频无极灯 图1 8 常见的无极灯外形结构 7 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 3 论文的主要工作 深入研究无极灯的发光原理与工作原理 根据无极灯变压器模型的等效电路分析其工作 过程 论述电子镇流器的工作原理及分类 根据低频无极灯的工作特性设计一款符合照明系 统要求的8 0 w 低频无极灯电子镇流器 设计的电子镇流器中包括有源功率因数校正电路 半桥逆变谐振点灯电路 相关的抗电磁干扰电路和保护电路等 使整个照明系统能在宽电压 输入范围内稳定工作 功率因数达o 9 9 以上 电磁干扰小等 符合一般照明产品的标准 论文的主要内容安排如下 第一章 前言 阐述了无极灯的研究背景和发展状况 对比分析低频无极灯与高频无极 灯的区别 应用前景 第二章 无极灯及电子镇流器系统分析 在工作状态下 采用变压器模型详细分析无极 灯的发光原理 工作过程的等效电路 根据无极灯的发光特性设计匹配的电子镇流器 采用 具有功率因数校正的双级电子镇流器作为主电路拓扑结构 和半桥逆变谐振电路作为无极灯 点灯电路 并对整个照明回路关键技术进行理论分析 第三章 有源功率因数校正技术的研究 详细分析基于电流峰值控制 临界连续模式的 升压型有源功率因数技术 以m c 3 3 2 6 2 芯片为核心设计一种宽电压输入 固定升压输出的 a c d c 变换器 作为无极灯电子镇流器的功率因数校正电路 使整个照明回路功率因数达 0 9 9 4 以上 总谐波含量低于1 0 降低电网谐波污染 提高整体效率 第四章 半桥逆变谐振回路的研究 以n e 5 5 5 和l 6 3 8 4 芯片作为半桥驱动芯片 实现 半桥逆变 并给出l c 谐振电路的设计方法及设计步骤 最终实现高频逆变 并点亮无极 灯 第五章 e m i 抗干扰的研究 分析整个照明系统的电磁干扰 辐射干扰的来源 在输入 端设计一种e m i 滤波电路 同时采取一系列措施抑制干扰 使整个照明系统符合国家制定 的电磁干扰标准 第六章 结论 总结全文 给出未来研究方向 8 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 无极灯及电子镇流器系统分析 2 1 无极灯模型分析 无极灯主要是靠由高频发生器产生的高频电流与电感线圈耦合后产生微波来激励气体发 光的 其发光原理不同于传统的有电极荧光灯 因此 研究无极灯的等效电路模型有利于电 子镇流器及整个回路系统的设计 由p i e j a k l 也和g o d y a k v a 等人提出的变压器模型是研究 无极荧光灯的重要方法 首先 无极灯工作稳定时 耦合线圈与灯泡内的等离子放电环之间 可视为一个变压器 等离子体放电环相当于次级的单匝绕组 如图2 1 所裂8 1 设该变压器模型的各个参数分别为 n l 耦合电感线圈的匝数 即变压器原边线圈的匝数 l l r l 电感线圈的电感值和电阻值 即变压器原边的电感值和电阻值 k 变压器耦合系数 r 2 无极灯等离子放电环的等效电阻 即变压器副边的等效电阻 k r o 变压器副边参数映射到原边后总的等效电感值和电阻值 图2 1 无极灯变压器等效电路 根据耦合系数k 可将变压器等效成互感电路 如图2 2 所示 包括理想的变压器 漏 电感 励磁电感 原边励磁电感为l l t 漏感为 卜k l l 副边的漏感为尘言半 r l i 一 图2 2 等效互感电路模型 再将变压器副边的漏电感与等效电阻映射到原边 如图2 3 所示 副边的漏感与阻抗映 射到原边后分别为 1 k l a n r 9 n i 杭州电子科技大学硕士学位论文 图2 3 副边映射到原边等效电路 将该图的参数合并为串联形式的 k 再等效为并联模式的粕 k 如图2 4 所示 图2 4 合并后的电路 设无极灯的工作角频率为啦 则 r 丽n12r丽2k4tos2l1 2 r 2 l 尘i 警 弓薹砦l 一k l c 2 2 3 n 1 4 r 1 2 v 7 1 二山7 将串联形式转换为并联形式 则可得 r r s 掣 2 3 k 3 l 0 l s 蔷 q 4 因耦合线圈的磁芯采用铁氧体无气隙的磁环结构 则耦合线圈同灯泡之间的耦合系数k 可以近似为1 且电感线圈的电阻值r l 近似为0 代入式 2 1 和式 2 2 简化得 r o n 1 2 r 2 2 5 l o l l 2 6 式 2 5 反映出理想变压器原边 副边阻抗映射关系 式 2 6 反映出无极灯变压器 模型中总的等效电感量就是耦合线圈的电感量 9 1 2 2 电子镇流器的介绍及分类 电子镇流器是安装在电网与一支或数支灯管之间 将2 2 0 w 5 0 h z 的市电转换为高频交变 电流来驱动气体放电灯的电力电子装置或电路 自1 9 3 8 年荧光灯问世以来 镇流器大致经 历了最初的电感镇流器 分离式电子镇流器 智能性高集成度电子镇流器三代 并朝着模块 化 集成化 多功能 长寿命 高可靠和大功率的方向迅速发展 1 0 1 电子镇流器的发展极大 的增加了电光转换效率 使原来的镇流器效率由0 5 增加到现在的0 8 以上 镇流器工作在 l o 杭州电子科技大学硕士学位论文 高频状态下 不再具有频闪效应 功率因数相比于电感镇流器有了大幅度提高 可达到0 9 以上 如果采用有源功率因数校正技术 更是可以达到0 9 9 以上 因此 电子镇流器的应 用前景是比较好的 电子镇流器的基本功能方框图如图2 5 所示 市电电压首先经e m i 滤波器滤波 防止来 自电网的干扰侵入到电子镇流器 同时阻止镇流器产生的高次谐波反馈到输入交流电网 降 低对电网的污染和其他电子设备的干扰 全桥与大容量的滤波电容之间 往往要插入一级功 率因数校正电路 实现高功率因数 降低电流谐波畸变 d c a c 的作用是将直流电压变换 为2 0 5 0 k h z 的高频电压 输出级电路通常采用l c 串联谐振网络产生高压脉冲将灯点亮 灯启动之后 电感元件对灯起限流作用 为保证电子镇流器安全可靠的工作 还需设计辅助 电路 实现保护功能 如在输出级与控制电路间加入反馈网络 一旦输出出现异常 可通过 反馈及时关断主控制电路 达到保护电路的目的 图2 5 电子镇流器原理框图 2 2 1 按电路拓扑结构分类 目前 电子镇流器电路种类繁多 根据电路拓扑结构可分为三类 单级单开关电子镇流 器 单级双开关电子镇流器和双级电子镇流器 l l 1 单级单开关电子镇流器 其原理框图如图2 6 所示 直接由单个开关实现功率因 数校正 逆变及谐振电路 2 2 0 v 5 0 h z 交流输入电压 单开关实现功率因数校正 的高频逆变器以及谐振环 图2 6 单级单开关电子镇流器框图 具体电路分析如图2 7 所示 图2 7 a 为两级电子镇流器电路 它由左边的降压型 b u c k 功率因数校正和右边的逆变谐振两级电路组成 分别由功率开关q l q 2 控制 将 功率开关q l 和q 2 集成为一个开关q 可得单级单开关电子镇流器电路 如图2 7 b 所 示 此时电路中b u c k 型功率因数校正电路由电感k 二极管d o d l d 2 直流滤波电容 c o 以及有源功率开关q 组成 而逆变谐振电路由电感l i l s 二极管d l d 2 电容c l c p c o 以及有源功率开关管q 组成 即整个电路由单个开关q 直接实现功率因数校正和逆 变谐振 电路结构简单 易于控制 杭州电子科技大学硕士学位论文 d u c k o i l v l b l l l a g fs i a g cj l f l a o i l i u n i l l l y t f t e rs t a g e a rk r v l i i 广 r7 1 l 0l lc ik 一 一 q l i i 1 q 2 卡 c l p lc p 啪 g 皇c 0 l j 一 l v a b u c k 谐振两级电子镇流器 r l 0 7 一 j j 一1 一 c o jl 一一 i 产n r1 k c c p 牛 d 0 r 一 j 一 l r i q d 2 屯 一 l b 合并为单级单开关电子镇流器 图2 7 单级单开关电子镇流器电路分析 2 单级双开关电子镇流器 原理框图如图2 8 所示 直接由双开关在一级电路中实 现功率因数校正 逆变及谐振电路 如电荷泵式电子镇流器和逐流式电子镇流器 复合开关 镇流器等 采用同一个控制芯片分别控制两级变换器电路的开关 使两级合并为单级 降低 成本 减少外围电路 节约空间 2 2 0 v 愿0 h z 双开关实现功率因数校正l 交流输入电压的高频逆变器以及谐振环l 图2 8 单级双开关原理框图 复合开关电子镇流器是将两级电子镇流器中功率因数校正电路开关和逆变桥下桥臂开 合并复用 采用单一的芯片来控制功率因数校正和逆变桥 从而将镇流器电路简化为单级 变换过程如图2 9 所示 图2 9 a 为传统反激 半桥两级电子镇流器的结构简图 两级 路由不同的芯片分别控制 当两级变换器的工作频率相同时 可以将q l q 2 合并为q 4 图2 9 b 所示 通过二极管控制电流流向 使开关q 4 既通过变压器原边电流 又通过 变器半个周期电流 采用同一个控制芯片控制q 4 q 5 使两级合并为单级变换 降低 本 减少外围电路 节约空间 1 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 一kj 一 刀 q 3 一 一 l 一 l 凸 一一 d2 c f li 一一 l 一 1 q 2 拓 i 一 一k l jl a 反激 半桥两级电子镇流器 l一 i j r i q 5 睦 一兰 一 d 口 i 乙 凸 1 3 3 l j i i d 5 一 i il l c f i k l i 一 1 i i q 4 k d 4 一 i 一 b 合并为单级双开关电子镇流器 图2 9 单级双开关电子镇流器电路分析 3 双级电子镇流器 如图2 1 0 所示 由前级的带功率因数校正功能的a c d c 和后 级的d c a c 逆变器 谐振环组成 2 2 0 v 5 0 h z 有源 无源 高频逆变器和谐振环 交流输入电压 功率因数校正电路 图2 1 0 双级电子镇流器原理框图 一些传统的有电极荧光灯就是采用这种电路拓扑 如图2 1 l 所示 前级功率因数校正 电路为升压型 b o o s t 功率因数校正 后级采用半桥逆变器和串联谐振作为荧光灯的点灯 电路 两级电路分别由不同的开关管 控制芯片控制 因此整个电路比较可靠 稳定性强 功率因数高 对电网适应性强 因而本课题设计的无极灯电子镇流器亦采用这种电路拓扑来 驱动 1 3 1 杭州电子科技大学硕士学位论文 l 1 d 2 r 1 一 j r l 0 2p 7 j 二 一 d a 1 卡 q l 卿口 l c 0 l r l k 气一q 卜 一 一 l 唧 0 3p 7 h 0 3 i l lo 图2 1 1 传统b o o s t 半桥鼹级电子镇流器 2 2 2 按逆变方式分类 逆变器是一个d c a c 变换器 是电子镇流器电路中最基本同时也是最关键的组成部 分 其功能就是产生2 0 k h z 以上的高频电压和电流 高频信号的波形取决于逆变电路型式 的选择 电子镇流器逆变器的基本类型主要有回扫式逆变器 推挽式逆变器 半桥式逆变器 和全桥式逆变器等几种 其中 半桥式逆变器最为流行 1 回扫式逆变器一般采用低压直流电源供电 主要用于4 一1 3 w 的手提灯 休闲灯 和应急灯等小功率电子镇流器中 其典型应用电路如图2 1 2 所示 元件r c 2 开关管q 和变压器t 的初级绕组n l 及辅助绕组n 3 等 共同组成高频振荡电路 产生高频信号驱动开 关管q 并通过t 升压获得所需的高频高压点燃荧光灯 1 4 e 尉 现 c 王 i 三c l 图2 1 2 直流低压回扫式逆变器典型电路图 2 推挽式逆变器电路由两个功率开关管和一个初级带有中心抽头的变压器组成 电 路筒图如图2 1 3 a 所示 其工作过程如图2 1 3 b 2 1 3 c 所示 开关管v t 卜 2 交替导通时 流经变压器t 副边上负载的电流为高频交变电流 实现逆变 推挽式逆变电路 有电压馈电和电流馈电两种类型 其中电流馈电的应用更普遍 1 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 t t a 推挽逆变电路简图 负 载 t b v t 导通 v t 2 关断时电流路径 c v t 关断 v t 2 导通时电流路径 图2 1 3 推挽逆变电路简图及工作原理 电压馈电式推挽逆变器电路如图2 1 4 所示 直流电压v 出直接馈送到变压器的初级中心 抽头 变压器辅助绕组n b 提供必要的正反馈驱动q l q 2 轮流导通 此电路中开关管所承受 的最高电压为直流电压的两倍 对于2 2 0 v 的工频市电来说 开关管应至少能承受6 2 0 v 的 电压 图2 1 4 电压馈电式推挽逆变电路 电流馈电式逆变器电路如图2 1 5 所示 与电压馈电方式不同的是直流电压经过电感l 馈送到变压器t 初级的中心抽头 l 与t 初级两端的电容c 2 组成谐振电路 r 1 r 2 和c l 组 成启动电路 用作触发振荡 t 的辅助绕组n b l n b 2 用于提供正反馈 驱动开关管v t 卜 1 5 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 交替导通 该电路开关管所承受的最高电压为直流电压的兀倍 如果镇流器输入电压为 交流2 2 0 v 则开关管承受电压为9 7 4 v t l 5 1 对开关管的耐压要求比较高 l 图2 1 5 电流馈电式推挽逆变电路 电流馈电式逆变器除了对开关管耐压要求比较高 具有电路简单 输出正弦波和可靠性 较高等优点 在美国 日本等工频市电电源电压1i o v 1 2 0 v 的国家中被广泛采用 在我国 和欧洲一些国家 该电路形式则很少被采用 3 半桥式逆变器电路 如图2 1 6 a 所示 开关q l q 2 交通导通 在串联l c 及 负载两端产生高频交变电流 实现逆变 工作过程中 任何一个断开的开关其两端的电压等 于母线电压v d c 流过任何一个导通开关的峰值电流是平均源电流的两倍 由于断开的开关 承受的电压相当于母线电压 如4 0 0 v 减轻开关应力 有利于电路中功率器件的选择与 设计 应用较广泛 半桥式逆变电路一般包括对称式半桥与不对称式半桥 如图2 1 6 2 1 7 所示 开关管 v t l v r 2 为桥路的有源侧 电容c l c 2 组成无源支路 其工作原理同推挽式逆变器类似 直流母线电压v 如经过开关q l q 交替导通后变成交变方波 经电感串联输出高频正弦 源 给灯光源供科 尊 p k k i 苏 连 c 一 a 双n 型半桥 图2 1 6 不对称结构半桥 1 6 b p n 型半桥 杭州电子科技大学硕士学位论文 q 1 i t r y 挈nj jj l j k 一 一 q 2j q l 一一 r v r 重l 上 叶 k j q 2 4 t l c a 双n 型半桥 b p n 型半桥 图2 1 7 对称结构半桥 图2 1 6 a 和图2 1 7 a 的电路为双n 型半桥 上下两个开关管都是n 型功率管 此时驱动上面的n 管需要承受来自母线的高压 提高了驱动电路的设计难度 且芯片还要 考虑死区的问题 而对于图2 1 6 b 和图2 1 7 b 的电路为p n 型半桥 上管为n 型 m o s 管 下管为p 型m o s 管 驱动开关芯片不用承受母线高压 且驱动没有死区问题 但 是它也有缺点 如开启电路的设计困难 p 型功率管的类型较少等 综合考虑 本课题设计 采用双n 型半桥电路模型1 7 4 全桥式逆变器电路由4 个功率开关管组成 如图2 1 8 a 所示 工作过程如图 2 1 8 b 2 1 8