阿拉丁广州镇流器终稿.ppt

电子镇流器相关技术探讨 复旦大学信息学院光源与照明工程系复旦大学电光源研究所 报告人 孙耀杰博士副教授副主任副所长 镇流器的一些基本问题 气体放电光源镇流器最基本电特性 1 需要一个启动电压 以击穿气体产生放电 启辉器触发器2 负阻特性 需要串联镇流器才能稳定工作 3 其它特性 灯参数匹配 电磁兼容 保护 调光 灌封 集成化 高可靠设计 MBFT 预热 电子镇流器的优点 频率对电感大小的影响 电源频率 50Hz 电源频率 20 000 100 000HzZ jwL 电子镇流器拓扑结构 滤波 整流 PFC 逆变 LC AC AC DC DC AC PFC 线路 逆变 光源 电子镇流器的基本原理 频率为 50Hz 整流滤波部份 把交流电变成直流电 频率为 20K 100KHz 逆变部分 把直流电变成高频交流电 输出点灯 AC DC DC AC 采用数字调光电子镇流器 有中央控制 实现光控 时控等各种智能控制 可以和控制网络相联 组成智能控制系统 数字调光电子镇流器的优点 有报道在世界多个国家的案例节电效果大于40 同时 单灯的实时管理使维护费用降低 调光镇流器的调光结果 性能与成本的协调 通过对不同电路成本和性能的分析 从而为实际选用提供指导意义 电子镇流器的发展 集成化 1 控制IC和功率管的集成 在专用控制IC的外围集成功率Mosfet 简化设计和生产制造 提高性能 2 小型化 电力电子集成技术 磁集成技术的应用 电力电子集成和磁集成技术是目前电力电子学发展的热点问题 将微电子的信息处理集成化用于功率电路的集成化 高频化 小型化 集成化 高可靠 3 专有ASIC和MCU的引入 以及利用FPGA为原型专用ASIC电路的设计 集成化技术 78K0 Ix2的设计理念 仅用1个单片机即可实现低成本 高性能的绿色节能照明系统 照明市场需求 荧光灯 变频照明 设法削减系统成本 寻求高分辨率调光控制 必须带有异常检出保护功能 设法实现节能系统 13 LightingASSP78K0 Ix2Features MainFeatures Lineup TimerforLightingControl AnalogFunctions 768 512 384 16K 8K 4K FlashSize bytes 30pinSSOP 40MHz Max CountClockPWMwithDeadtimecontrolPWMforHalf FullBridge4chsynchronizedoutputInterlockoperationwithComparators 78K0 Ix2 20pinSSOP 16pinSSOP 768 512 768 512 78K0 IY2 78K0 IA2 78K0 IB2 RAMSize Note only20 30pin Internal OSC PLL CPU20MHz On ChipDebugmountedHighspeed16bitPWMtimerSerialI F UART I2C CSI AvailableDALI Slave Available105deg COperating ADconversionsynchronizedwithPWMtimerInternal3chComparatorsInternalOP AMPPGAmode x4 x8 x16 x32 Singlemode Using outpin Note 电力电子集成技术 目前微电子领域使用 分立元件 的电路已经很少了 进入了集成电路时代 而在电子镇流器的设计应用中 大多还处于 分立元件 时代 电力电子集成技术的概念 电子镇流器的发展 高效率 电子镇流器的发展 高可靠 降低功率管和磁性元件的温度 提高可靠性 温度每升高5度 电容寿命下降一倍 完善的镇流器保护电路 预热电路 以及灯系统的检测保护 单模块电子镇流器 一些相关的新技术的应用 仿真和控制参数的选择 电气参数和热联合设计技术光源的建模电路拓扑结构的优化 降低成本 提高性能新能源供电的特殊问题 太阳能 风能供电 仿真技术的应用 电子镇流器 拓扑分析 常见技术路线 仿真 对比 指导 电子镇流器的主要组成部分 气体放电灯的工作特性启动特性 需要高压启动 其中金卤灯在启动时需要3kV 5kV的击穿电压 负阻特性 不能单独稳定工作的 需要和镇流器一起工作才能稳定 电子镇流器的主要组成部分 电子镇流器的典型结构AC DC 输入滤波器 整流桥 功率因数校正电路灯驱动 半桥逆变 启动电路控制电路 通讯接口 MCU PFC功率因数有答复 1 PFC基本概念POWERFACTORCORRECTION1 功率因数 PF 为改善供电质量 提高供电线路功率因数 我国已经颁布了电能质量公用电网谐波标准GB T14549 93 GB T15144 94 IEC929 等 2 功率因数校正技术中主要有两个途径使输入电压 输入电流同相位 此时 1 所以PF 使输入电流正弦化 即 I 最后可得到PF 1 从而实现功率因数校正 PFC PPFC 无源功率因数校正 APFC 有源功率因数校正 PPFC 由电感 电容 二极管等无源元件组成 简单 成本低 能提高一定功率因数 但谐波滤波效果差 一般25W以下使用 典型无源PFC应用电路 典型无源PFC应用电路 典型无源PFC应用电路 PFC APFC 基于控制芯片 利用开关器件 搭配无源元件 获得近似于1的功率因数 稳定直流输出电压 成本较高 效率降低 一般选用Boost电路 Boost电路分析按电感中的电流形式不同可分为三种 连续电流模式 CCM 断续电流模式 DCM 临界电流模式 BCM 断续电流模式 临界电流模式 连续电流模式 26 荧光灯使用NEC78K0 Ix2可省去PFC芯片 Invertercircuit DC380V ACPowerSupply PFCcircuit I OPort PWMTimer MCU 78K0 Ix2 MCU PFCcontrolIC InvertercontrolIC 电路拓扑选择与期望之间矛盾 谐波含量 逆变电路 波峰因数 方波幅值 功率管耐压与功耗等 成本 逆变与驱动电路 电压馈送型 电流馈送型 推挽式 逆变与驱动电路 自振荡电压馈送电路 R1 C2 VD6 VD5组成自振荡启动电路 L2与C4 C5 C6组成LC串联谐振电路 Vbus C3 Fl2 C4 Fl1 VT2 R4 Vbus VT1 R3 Fl1 C4 Fl2 C6 半桥式逆变电路 仿真晶体管耐压 仿真Vab 仿真灯管电压电流 触发信号 建模 全桥式逆变电路 建模 仿真晶体管耐压 仿真Vab 仿真灯管电压电流 一些逆变电路仿真结果 对于管压要求较低的荧光灯电子镇流器 选取半桥式逆变电路做为其DC AC转换是适宜的 这不但能满足荧光灯波峰因数和谐波含量的要求 从而保证荧光灯正常工作和寿命 而且避免了全桥式逆变电路带来的结构复杂和成本升高 而对于一些对管压要求较高的荧光灯电子镇流器或HID灯电子镇流器 用全桥式逆变电路来实现DC AC转换是适宜的 1 2 3 4 方波幅值 成本 波峰因数 谐波含量 逆变电路 点灯电路 点火方法谐振点火 FL 谐振回路与输入高频方波的基波发生谐振而在灯端电容C上获得很高的电压脉冲脉冲点火 HID 通过在变压器的原边产生一个脉冲 使在变压器的副边得到一个足够高的电压以击穿灯管 灯阴极预热电路 预热灯丝是保证灯管顺利启动的必要条件 灯阴极预热电路 电压型预热电路 优点 灯丝加热快 不会使灯丝预热时间过长灯驱动波形近似正弦波 减小EMI 变压器伺服预热电路 VT1导通 两次级绕组T1b和T1c上的感应电压预热灯丝 优点 IC控制 预热效果好 灯阴极预热电路 电流型预热电路高频预热后 改变频率到LC谐振频率上 启动灯管 灯管正常启动后改变频率到稳态工作频率 采用PTC的预热电路 调光电子镇流器 电子镇流器调光方法有 占空比调节半桥直流总线电压调节频率调节相位调节应用较多的是 变频调光相位调制调光 调光电子镇流器 变频调光由于与灯管串联的电感阻抗随频率增加而增加 所以只要改变电流频率就可以改变电感的阻抗值 从而改变灯电流 电路简单 易于控制但调光范围受到限制 相位调制调光改变灯管电流和管电压的相位关系以改变灯管功率 与灯功率线性关系好调光范围较宽 数字式电子镇流器 这是奥地利锐高公司的一款 的电子镇流器 有如下功能 可调光范围是 有灯丝预热功能 电压输入 功率因素 完善的故障保护功能 输出功率恒定 不受市电电压波动影响 有 通信接口 可与照明控制系统相联实现完全的电子灯控管理 调光电子镇流器 采用ML4836的调频调光电路ML4836 MicroLinear 可控制启动时序 利用频率调制调节VCO频率范围 过热保护 欠压保护 灯寿终关断等保护 预热启动功能 ML4836内部框图 各工作模式下的工作频率 调光电子镇流器 D1 D2 和C2 C3组成倍压整流滤波电路 R2 R3 C12 C13 1为IC启动元件 L2 D3 D4 D5 C8组成IC辅助电源IC 变压器T2 Q1 Q2 组成半桥逆变器 L2 C14 C15 C16组成输出网络 R10 R8 R5等为IC振荡器定时元件 调光电子镇流器 使用PSoC的调光电路 驱动与监控电路 HID电子镇流器 HID金卤灯的工作特性启动特性 金属卤化物灯在启动时需要3kV 5kV的击穿电压负阻特性 金属卤化物灯是不能单独稳定工作的 需要和镇流器一起工作才能稳定 声谐振现象 引起电弧不稳定 严重影响照明效果 甚至使电弧熄灭 或放电管爆裂声谐振现象的抑制 通过提供低频方波电流驱动灯管 调制逆变器的开关频率和改变相位角 给灯提供一个高频方波电流 HID灯发生声谐振现象频率之上的超高频率驱动灯 通过声谐振现象的反馈来改变开关频率 反馈与控制技术 驱动电路方案及电路设计 高频PWM波产生方案分析 取样电阻连接示意图 恒流控制流程图 采用间接控制法 通过测量与灯串联的取样电阻两端的电压值间接的检测到灯电流 HID主电路拓扑分析 常见HID主电路拓扑分析典型3级HID电子镇流器PFC提高功率因数 采用APFCDC DC变换器调节输出功率DC AC逆变器实现低频方波输出该结构清晰 易于控制 但元件较多 HID主电路拓扑分析 典型3级式HID电子镇流器 PowerFactorcorrector BoostConverterLampPowercontroller BuckConverterLampDrivingStage FullBridgeInverter HID主电路拓扑分析 两级HID电子镇流器 HID电子镇流器 半桥电路工作模式 两个工作模式 Mode1 S1高频开关S2关断S1 L lamp D2构成buck改变S1的开关占空比以控制灯功率Mode2S2高频开关S1关断S2 L lamp D1构成buck变换器改变S2的开关占空比以控制灯功率 先进控制技术与MCU的结合 驱动电路方案及电路设计 1 整合低频和高频 电路设计问题 2 反馈方式 灯特性与电路实现的问题3 拓扑设计 元件简化 可靠性问题 拓扑优化 减少元件 提高可靠性 大大降低成本 优化元件应力 电流 电压 降低对原件的要求 提高镇流器寿命 软开关技术减少EMI 发热 提高性能 数字控制芯片的应用会带来拓扑结构的优化 控制方法的优化结合专用电路设计综合灯的电流 电压状态 优化保护电路设计比单纯电流 电压方法好工作温度 综合电路设计和灯参数匹配 逆变拓扑结构选择的思考 桥式逆变电路原理仿真分析比较 全桥拓扑原理仿真模型 半桥拓扑原理仿真模型 1 功率管的工作状态 2 控制的模式与实现的方式 3 灯参数匹配的状况 3 2HID灯时序与恒功率控制关键技术 驱动控制方式 启动控制点火成功前 主要是恒压控制点火成功后 控制方法主要是使灯功率逐渐增大到额定功率的控制的恒流控制或恒功率控制 直接控制检测灯两端电压和灯电流 然后通过对检测信号进行处理后反馈到控制电路 间接控制分析电路的工作状态 找出与灯功率相关的控制变量进行反馈控制的方法 电路工作状态与灯的特性匹配是设计的原则 新型主控芯片 采用CYPRESSPSOC实现半桥逆变 电子镇流器对芯片的要求 2个A D转换端口3个PWM波输出 新型主控芯片 按电子镇流器对控制芯片的设计要求 在CY8C29466芯片的内部资源中选取 两个可编程增益放大器 PGA 1 PGA 2 一个可变分辨率模数转换器 ADCINCVR 1 一个12位模数转换器 ADCINC12 1 两个8位PWM波产生器 PWM8 1 PWM8 2 一个16位有死区时间设置PWM波产生器 PWMDB16 1 片上系统硬件设计结果 新型主控芯片 Cypress PSOC内部结构 数字芯片系统设计 CY8C29466中芯片时钟可达24MHz CPUcore可以通过对接收到A D转换器的数据处理后对PWM产生器进行实时控制 其中一路PWM波用以提供点火电路的驱动信