新型電子鎮(zhèn)流器

[編者注]該文是中國電源學(xué)會“三專委”聯(lián)合主辦的“2000年全國電源技術(shù)應(yīng)用研討會”收到的第一篇征文，因

為欲形成一個“電子鎮(zhèn)流器”欄目，所以延至本期刊出。

新型電子鎮(zhèn)流器

New Type Electronic Ballast

摘要：討論兩種采用高頻能量反饋技術(shù)的電子鎮(zhèn)流器，它利用無源濾波技術(shù)來改善電子鎮(zhèn)流

器的波峰比、總諧波失真和功率因數(shù)。從而提高電路工作的可靠性和適用性。

Abstract:Discussed two electronic ballasts for using high－ frequency energy feedback technique.Use passive filter technique for improving wave peak ratio ,total harmonic distortion and power factor of electronic ballast,so that increases reliability and suitability of circuit work.

關(guān)鍵詞：電子鎮(zhèn)流器無源濾波功率因數(shù)高頻能量反饋有源濾波

Keywords:Electronic ballast， Passive filter， Power factor， High－ frequency energy feedback， Active filter

1電子鎮(zhèn)流器及有關(guān)問題

　　電子鎮(zhèn)流器的負載是一種特殊負載，要求電子鎮(zhèn)流器工作時具有能為負載提供穩(wěn)定電流的能力。由于它具有節(jié)能、效率高、節(jié)省金屬材料（銅、硅鋼）等優(yōu)點，具有很高的經(jīng)濟效益和社會效益，所以引起社會各界的廣泛關(guān)注。

　　電子鎮(zhèn)流器采用高頻開關(guān)變換技術(shù)，體積可以做得很小。但由于高頻開關(guān)和整流運行的原因，它又存在源側(cè)諧波失真大、電磁輻射干擾嚴重等缺點，當大批電子鎮(zhèn)流器同時工作時，高頻諧波會使電源中線嚴重偏離零電位，同時引入極大的峰值電源電流，嚴重干擾電源系統(tǒng)供電質(zhì)量，甚至造成重大經(jīng)濟損失。

2電子鎮(zhèn)流器的發(fā)展

　　從時間上劃分，電子鎮(zhèn)流器主要經(jīng)歷了以下幾個階段：

　　第一階段是80年代中期到90年代初期。這期間，電力電子技術(shù)由低頻向高頻發(fā)展，APFC（有源功率因數(shù)校正）也開始起步，電子鎮(zhèn)流器的優(yōu)缺點開始顯現(xiàn)出來。這一階段電子鎮(zhèn)流器的主要特征是：

　?。?）鎮(zhèn)流器的輸入端采用不可控整流和大電容（或不用電容）濾波，輸入電流波形嚴重畸變，當大量使用時，會造成中線電流增加，嚴重時會引起鎮(zhèn)流器大量損壞甚至造成火災(zāi)。

　?。?）采用“逐流”無源濾波技術(shù)，使得PF>0.9，THD<30％ 。 但 是 9次 諧 波 的 波 峰 因 子 Cf≈ 2， 超 過 標 準 。 有 人 把 采 用 這 種 “ 逐 流 ” 無 源 濾 波 技 術(shù) 的 電 子 鎮(zhèn) 流 器 叫 作 第 二 代 電 子 鎮(zhèn) 流 器 。

　　第二階段是90年代初期到90年代中期。這期間，由于APFC技術(shù)已成熟，并推出了相關(guān)專用集成芯片。電子鎮(zhèn)流器電路主要采用兩級功率變換，第一級采用APFC（常用BOOST型PFC電路），第二級采用功率DC/AC逆變。人們常將采用這種技術(shù)的電子鎮(zhèn)流器叫作第三代電子鎮(zhèn)流器。由于它采用了PFC技術(shù)，所以PF可達0.99，THD及各次諧波指標均能滿足要求。但是這種電子鎮(zhèn)流器采取了兩級高頻功率變換，所以整機效率在80％～90％，甚至更低，同時電路復(fù)雜，成本高，一時難于大范圍推廣。

　　第三階段是典型電路采用單級多功能電子鎮(zhèn)流器，發(fā)展方向主要有：

　　（1）美國VEPC提出的高頻能量反饋的電荷泵電路，主要指標可達PF>0.995，THD<5％ ， Cf<1.6。

　?。?）CUK等人提出的單管電子鎮(zhèn)流器。

本文主要討論兩種采用高頻能量反饋技術(shù)的電子鎮(zhèn)流器和它們的工作原理。

3電子鎮(zhèn)流器的主要參數(shù)

　　評價電子鎮(zhèn)流器的指標有很多，下面介紹一些常用指標：

　　（1）輸入側(cè)功率因數(shù)一般要求PF>0.9；

　　（2）輸入側(cè)電流總諧波失真THD<20％ ～ 30％ ， 并 且 要 求 三 次 諧 波 成 分 與 基 波 成 分 （ I3/I1） <17％ ；

　?。?）瞬態(tài)過電壓保護由于供電電網(wǎng)中有時會出現(xiàn)高幅值（如1kV左右）的瞬態(tài)脈沖電壓，但電子鎮(zhèn)流器由于受成本的限制，功率變換器件的參數(shù)余量不大。為使電子鎮(zhèn)流器可靠工作，應(yīng)對這種高幅值的瞬態(tài)干擾加以抑制；

　?。?）軟起動功能電子鎮(zhèn)流器開起時，起動電流比正常工作電流大許多，降低了負載工作壽命，所以電子鎮(zhèn)流器應(yīng)配以軟起動電路來減小起動電流；

　?。?）空載電壓電子鎮(zhèn)流器剛開始工作瞬間，負載還未工作，這時電子鎮(zhèn)流器的輸出電壓既不能太高，又不能太低。太低，燈管不能起輝；太高，又易降低燈管工作壽命；

　　（6）負載觸發(fā)起動方法常用的負載觸發(fā)起動方法有兩種：

　?、俨捎谜郎囟认禂?shù)的熱敏電阻法。由于熱敏電阻的熱慣性，負載穩(wěn)態(tài)工作時會對負載工作特性產(chǎn)生不利影響；

　?、谒查g觸發(fā)起動，由于負載沒有預(yù)熱過程，而直接加上較高的觸發(fā)電壓，會降低燈管陰極使用壽命；

　　（7）電流波峰因子Cf對電子鎮(zhèn)流器要求Cf<1.7， 過 大 會 降 低 負 載 壽 命 ；

　?。?）效率η由于電子鎮(zhèn)流器較普通鎮(zhèn)流器的優(yōu)點就是效率高，效率提高了就會達到節(jié)能效果；

　　（9）溫升由于自激振蕩的電子鎮(zhèn)流器或采用APFC技術(shù)的電子鎮(zhèn)流器中采用了磁性元件，而磁性元件的磁導(dǎo)率和溫度有關(guān)。實用中應(yīng)采用高Bs值的磁性材料，同時應(yīng)選用溫度系數(shù)低的磁性元件，特別是振蕩線圈磁性材料；

　　（10）應(yīng)力參數(shù)由于高頻功率變換器寄生參數(shù)的存在，功率開關(guān)器件工作時，會有高頻振蕩現(xiàn)象產(chǎn)生。產(chǎn)生較大的dv/dt、di/dt，即所謂的動態(tài)電壓、電流應(yīng)力。過大的動態(tài)應(yīng)力會造成功率變換器件的損壞。這點可采用軟開關(guān)技術(shù)來降低動態(tài)應(yīng)力值。

4采用無源濾波技術(shù)和有源濾波技術(shù)的電子鎮(zhèn)流器

4.1采用電荷泵無源濾波技術(shù)的電子鎮(zhèn)流器電路

　　該電路工作框圖如圖1所示。

圖1采用無源濾波的電子鎮(zhèn)流器電路

電路的輸出及輸入特性分別見表1及表2。

表1輸出特性

表2輸入特性

電源側(cè)電壓、電流波形見圖2。

圖2電源側(cè)電壓、電流波形

圖3采用無源PFC的電子鎮(zhèn)流器電路

圖4電源側(cè)電壓、電流波形

從圖1、2和表1、2可以看出，電路各項性能指標都有所兼顧和改善，PF值大于0.95，THD值在25％左右，但電流導(dǎo)通角還有一定的死區(qū)。波峰因數(shù)Cf有很大改進，在1.70～1.80。由于這種電路簡單，成本低，所以很有實用價值。

4.2采用能量反饋的無源功率因數(shù)校正的電子鎮(zhèn)流器

電路工作原理見圖3。

電源側(cè)電壓、電流波形見圖4。

電路輸出特性見表3。

表3能量反饋式電子鎮(zhèn)流器輸出特性

電路輸入特性見表4。

　　從圖3、4和表3、4中有關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，它的輸入電流導(dǎo)通角為180°，沒有死區(qū)，電壓、電流基本同相位。PF>0.97，電流諧波在18％左右，Cf在1.6左右。由于電路簡單，工作又比較可靠，所以比較適用于電子鎮(zhèn)流器電路。

圖5雙泵式電子鎮(zhèn)流器電路

表4能量反饋式電子鎮(zhèn)流器輸入特性

圖6高頻泵式電子鎮(zhèn)流器電路

表5不同濾波電路的電子鎮(zhèn)流器綜合比較

5雙泵和高頻泵電子鎮(zhèn)流器電路及實驗結(jié)果對比

　　下面分別介紹采用雙泵式（雙向自供輔助電源式）和高頻泵（高頻能量反饋）的無源濾波電子鎮(zhèn)流器電路和實驗結(jié)果。

　　圖5為雙泵式電子鎮(zhèn)流器工作原理圖。電容C1、C2，電解電容C3、C4和二極管V1～V4構(gòu)成了正、負雙向輔助電荷泵。電子鎮(zhèn)流器通電后短時間內(nèi)，V1～V4及C3、C4構(gòu)成一個寄生二極管和電容濾波回路，使電路工作。燈管點亮后，高頻電流的一部分經(jīng)由C1、C2返回電源，另一部分經(jīng)過V1、V2整流，由C3、C4濾波，形成正、負兩個輔助電壓±△U，經(jīng)由V3、V4與橋式整流后的100Hz脈動直流電壓相疊加，形成一個波峰比Cf比較小的供電電源為功率變換級供電。適當選擇電容器的取值，可使電流的波峰比Cf<1.7的 同 時 ， 使 PF和 THD值 保 持 在 一 個 比 較 理 想 的 范 圍 。 對 典 型 的 220V/36W電 子 鎮(zhèn) 流 器 采 用 這 種 方 法 后 ， 可 得 到 ： PF="0.945，" THD="32％" ， 三 次 諧 波 含 量 HD3="0.28，" Cf="1.61，" η="0.93，" f="24.5kHz。" 由 于 這 種 電 子 鎮(zhèn) 流 器 的 高 頻 電 流 得 到 了 再 生 利 用 ， 所 以 電 路 工 作 效 率 較 高 。 由 于 燈 電 流 Cf值 較 小 ， 所 以 發(fā) 光 效 率 也 比 較 高 。 源 電 壓 范 圍 為 160～ 270VAC。 整 個 電 路 對 元 器 件 無 特 殊 要 求 。

　　圖6為采用無源濾波技術(shù)的高頻泵式電子鎮(zhèn)流器電路原理圖。電容C1、C2，二極管V1、V2組成高頻泵反饋回路。當電子鎮(zhèn)流器工作后，高頻電流通過電容C1、C2和V1、V2構(gòu)成正、負兩個回路，正半周由V2對C0充電，填充低谷，波峰比變小，負峰波由V1返回電源，對整流管而言，產(chǎn)生高電平時的負阻狀態(tài)，從而提高了PF值。適當選擇元器件參數(shù)，可使電路的效率得到提高。對采用這種方法的220V/36W電子鎮(zhèn)流器典型參數(shù)為：PF=0.994，THD=0.068，HD3=0.051，Cf=1.62，η=0.89，f=25.3kHz。

6結(jié)論

對采用不同濾波電路的電子鎮(zhèn)流器綜合比較結(jié)果，見表5。

　　由表5可以看出，采用APFC的電子鎮(zhèn)流器總體指標最好，但它造價相對高些，電路相對也復(fù)雜些，一時難于普及。而高頻泵和雙泵式電子鎮(zhèn)流器電路，總體指標較好，三次諧波含量HD3：雙泵式為0.2～0.3，而高頻泵式小于0.1，有源濾波式小于0.1。由于采用雙泵和高頻泵能量反饋電路只添加幾個無源元件，造價低，所以較具有實用價值。當然要提高整體電子鎮(zhèn)流器的性能、工作可靠性等指標，還和功率變換電路形式（如諧振軟開關(guān)）、元器件的質(zhì)量有關(guān)。

參考文獻

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