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浅析新型逆变式电子镇流器工作原理与设计方法（组图）
发布日期：2005-2005-09-10文章来源：谢勇张纳敏照明工程师社区浏览次数：15387
摘要：介绍一种新型逆变式电子镇流器电路结构，该电子镇流器利用电感、电容和二极管构成的辅助电路实现输入电流波形的校正并使功率开关管工作在零电压开关状态，具有高功率因数、高工作效率、低波峰系数和电路结构简单的特点。分析了电路的工作原理，介绍了电路参数设计方法，给出了实验结果。
1 引言
由于电子镇流器具有较高的灯光效、高的功率因数、重量轻、无闪烁、无噪声和使用电压范围较宽(170～270V)等优点，在我国已得到广泛的应用。电子镇流器功率虽小，但使用量极大。因而其性能好坏直接影响到节电效果和对电网污染的程度。本文介绍的电子镇流器不但性能好，而且电路结构简单，成本低，具有较好的应用前景。
2 电路工作原理分析
2．1 电路结构
新型逆变式电子镇流器主电路如图1所示，图中CS为隔直电容，虚线所包围的部分为实现高功率因数而附加的电路，电感L为一个能量传输者传递着电流，同时也起着提高直流电压和电流波形校正的作用。两个电容Cx、CY为两个小型能量槽储存一部分能量，这两个能量槽在高频方式下完成充放电功能。两个二极管VDx、VDy引导电感电流进入电解电容C或负载回路。由于附加能量处理单元的作用，使整流二极管导通角增大到180°。电感L中的电流是一个高频振荡波形，其平均值电流跟随输入电压的波形，从而达到功率因数校正的目的。R1、C1、双向触发二极管VD4为触发启动电路。
2．2 工作过程
为了分析方便，输入电压和整流桥被等效成Urec(t)和VDr表示，其中Urec(t)=Uimㄧsinωtㄧ，Uim为输入电压峰值，ω为输入交流电压频率。灯负载回路等效成一个电流源电路，其电流表达式为io(t)=Iomsinωot(Iom为负载电流幅值，ωo为功率管开关频率)。由于逆变电路开关频率远比输入交流电压频率高，在分析过程的每一开关周期中可认为输入电压是近似不变的。又由于该逆变电路在输入电压峰值附近和输入电压瞬时值较低时的工作状态略有不同，分析时按两种情况讨论。对应的等效电路图及工作波形图分别如图2和图3所示。
第一种工作情况：这种工作情况对应于输入电压瞬时值较低时的工作状态。整个工作过程分五个阶段，此种情况下Ucx最大值低于电解电容C两端直流电压Udc，而且电感电流iL是断续的。
(1)第Ⅰ阶段功率管VF2导通并同时通过iL及iO电流，Cx被iL充电，而CY电压被箝位于零，在这一阶段结束时，电感电流谐振到零，Cx上电压达到最大值，VDr和VDy关闭。
(2)第Ⅱ阶段负载电流流过功率管VF2，iL保持为零。在这一阶段结束时，关断VF2。
(3)第Ⅲ阶段VF2关断后，Cx通过负载回路放电，Ucx下降。
(4)第Ⅳ阶段随着Ucx的下降，当整流电压高于Ucx时，VDr导通，入端电流通过电感开始对CX和CY充电。由于Cx中放电电流大于充电电流，因此Ucx继续下降直到零为止，此时VD1导通。
(5)第V阶段VD1导通后，VD1中流过的电流为负载电流与电感电流之差，随着负载电流的减小和电感电流的上升，在这一阶段结束时，VDl续流结束。功率管VFl开始导通进入后半周期。由于后半周期工作与前半周期相似，不再详述。
第二种工作情况：此种工作情况对应于输入电压在峰值附近时的工作状态。整个工作过程分四个阶段，在这种情况下，Ucx的最大值能达到电解电容C两端直流电压Udc，电感电流是连续的。
(1)第1阶段VF2导通，在此之前Cx上电压已经升高并钳位于Udc。因为C比Cx大得多，所以电感电流都经C通过，因此VF2仅仅通过负载电流。在这一阶段结束时，关断VF2。
(2)第Ⅱ阶段VF2关断后，CX中能量向负载放电，电感电流向Cy充电。由于此阶段为输入电压的峰值附近，所以电感电流也处在峰值附近，对CY的充电速率加大。在此阶段中Ucx与UCY 之和接近于但小于Udc。而在本阶段结束时，Ucx与UCY之和达到Udc，使VDy导通。
(3)第Ⅲ阶段VDy导通后，使电感电流通过C形成通路。而Cx又通过负载回路放电，在这一阶段结束时，Ucx已降为零，UCY升到Udc，使VD1导通。
(4)第Ⅳ阶段VD1开始续流，续流电流为负载电流与电感电流的差值，当VD1续流结束时，功率管VFl导通，进入后半周期。
3 电路工作特点
(1)功率管工作在零电压开关状态。功率管在反并联二极管续流时开通，可以实现零电压开通。功率管VF2关断时，其电流iVF2瞬间下降为零，原来流过VF2的电流转向对CX放电。VF2的漏源电压为Udc减去Ucx，使VF2漏源电压以某一斜率上升，这个斜率的大小取决于CX放电速率的大小，这就保证了VF2关断时漏极电流与漏源电压交叠几乎很小，达到了零电压关断的效果。
(2)高功率因数。在每一开关周期内，电容Cx或CY先是储存能量，然后再把存储的能量传送到负载。整流二极管导通角可达到半周期。由于能量处理单元所储存的能量主要对电解电容C和负载放电，因此功率开关管的电流等级与普通电子整流器相同。
(3)与普通泵式电子整流器相比，C两端直流电压偏低，有利于降低对功率管耐压的要求。
(4)灯电流波峰系数较小。
4 电路主要参数计算
假设负载电流与电感电流在正半周的两个交点对应的角度分别为：a，π－a。根据电容上电压电流的关系可得：Cx=[Iomc
浅谈电子镇流器的工作原理
浅谈电子镇流器的工作原理
【摘要】本文主要讨论了高频交流电子镇流技术的发展、应用、典型电路、存在问题及发展方向。介绍了典型应用集成电路和相关设计软件。
【关键词】高频交流电子镇流半桥逆变buck-boost PFC 单级变换
一、高频交流电子镇流
由于气体放电灯（如荧光灯、霓虹灯、卤素灯、金卤灯等）是一种负阻性电光源(特性曲线如图1所示)要使其正常稳定工作，需加一个限流装置。这个限流装置叫做镇流器。目前气体放电灯使用的镇流器有两种：（1）电感式镇流器；（2）高频交流电子镇流器。由于电感式镇流器工作在市电频率，体积大、笨重，还需消耗大量铜和硅钢等金属材料，散热困难、效率低、有频闪，所以现在一些电光源界的科技工作者纷纷寻找新的镇流方法，而高频交流电子镇流器就是一种有效方法。
电子镇流采用高频开关变换电子线路的方法实现镇流，具有无频闪、效率高、体积小、重量轻、可调光，不使用大量铜材和硅钢材料的特点，所以自20世纪70年代以来，高频交流电子镇流器一问世，由于它的体积小、发光效率高（发光效率与工作频率关系曲线如图2 所示）无频闪效应，适应供电电压范围宽、节能的一系列优点，受到了用户的欢迎。
据统计，世界上照明用电占了世界上产生的总电量的1/4，如仅将现用的200亿只灯泡中的50亿只换成节能的电子镇流灯泡，就可节省200GW的电能，从而少建几十个电站。由于高频交流电子镇流器节能和巨大的市场潜力，进入20世纪90年代后，各种气体放电照明灯广泛采用高频电子镇流器，形成一个"绿色照明"的新兴产业。
"绿色照明"是90年代初国际上对节约电能、保护环境照明系统的形象说法。美、英、法、日等主要发达国家和部分发展中国家先后制定了"绿色照明"的计划，并已经取得明显效果。事实上，照明的质量和水平已成为衡量社会现代化的一个重要标志，成为人类社会可持续发展的一项重要标志。
目前，我国已成为照明器具的生产大国，现有照明器具生产企业1000家，电光源产品有60多个门类3500多个品种规格，灯具产品
30多个门类500多个品种规格。我国照明节能大有潜力可挖。目前，荧光灯、稀土三色紧凑型荧光灯已生产出适合家用的H、双H、O、D、双D、SL型等多种产品。这种灯与照度相同的管型荧光灯相比约节电27%，与白炽灯相比，可节电70%。2001年，按每户仅用一只节能灯计算，全国4亿只节能灯就可节电2000万千瓦电力，投资只需120亿元，而要生产2000万千瓦的电力，即需投资5 00亿元。所以在我国照明节能是一项很重要的课题。
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。如美国弗吉尼亚大学功率电子研究中心（VPEC），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IEEE功率电子学学刊刊出，并提出了如高频能量反馈、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（UCT）的S.CUK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，西班牙、巴西、我国台湾和香港地区的一些著名高等院校、科研院所、公司都投入了一些高水平的科研人员进行开发。同时，国内一些著名科研院所、大学也投入了较大力量进行科研开发。这点可从国内相关科技文献看出。勿容置疑的是我国是世界上电子镇流器的一个生产大国，我国有较多的公司、企业从事这种"绿色电光源"产品的生产。特别是自20世纪80年代末、90年代初，IEC928（1990）、GB15143（1994）《管形荧光灯用交流电子镇流器一般要求和安全要求》及IEC929（1990）、GB/T15144《管形荧光灯用交流电子镇流器的性能要求》等技术标准相继颁布与实施，使交流电子镇流器的研究、开发、生产有了统一技术规范。
由于高频交流电子镇流器要求体积小、造价低，并且对电磁辐射干扰、输入功率因数、波峰因数、可靠性等技术指标严格，所以要做出一个满足高性能、低价格、体积小、低电磁辐射干扰，使用安全可靠的高频交流电子镇流器并非件易事，所以往往让人感到：看似简单的一个电子产品，但是技术含量很高，是一个涉及电路拓扑、高频电子变换、谐振开关（ZVS、ZCS）、LC串并联谐振、功率因数校正、电磁干扰抑制（EMC、EMI）、信号传感、采集和控制、电子元器件、电光源器件等电力电子技术的方方面面。同时，如何测量高频交流电子镇流器的技术参数，如功率、高频谐波成分、效率、电磁辐射干扰（EMI），也是高频交流电子镇流器的研究热点。实践证明，要做出一只高性能的高频交流电子镇流器，还需对它的负载--灯的技术特性、灯对电源的技术要求有所了解，否则要做出高性能的高频交流电子镇流器是不现实的。
由于对电网供电质量的要求不断提高，国际电工技术委员会1982年分别制定了IEC555-2《家用设备及类似电器设备对供电系统的干扰》标准，和IEC1000-3-2《电磁兼容性标准》，分别对相关电器设备的功率、谐波成分、电磁辐射干扰等技术指标做出了要求，对高频交流电子镇流器而言也相应增加了电路的设计难度和制造难度。
二、常用高频交流电子镇流器电路与改进
（一）单级半桥谐振式
由于半桥谐振式逆变电路工作可靠，对开关管耐压要求较低，所以采用半桥谐振式逆变电路为灯负载供电的功率变换电路使用最为广
泛。它主要由：交流市电供电整流电路（滤波）、启动电路、串联谐振高频逆变电路、保护电路、灯负载几部分组成。
这是一个典型的、自激振荡、自启动的LC串联谐振半桥逆变的高频交流电子镇流器电路，谐振主要由L、、C3、C4完成，利用谐振时C4上的高频电压点亮灯负载，当灯负载电流发生变化时，会影响谐振回路Q值，从而影响谐振电容C4上的谐振电压，来实现稳定灯负载电流的作用。
由于这种电路采用元件少、造价低，所以目前国内市场上见到的高频交流电子镇流器大多采用类似的这种电路。
但这种电路存在以下缺点：（1）无灯丝预热功能，易产生灯丝电极溅射作用，而降低灯丝的使用寿命，使用时间一长易造成灯管一端发黑的现象；（2）由于采用市电整流后直接给半桥逆变级供电，所以会产生很强的高次谐波干扰，降低交流市电输入侧的功率因数，并降低电源供电效率,采用这种电路的高频交流电子镇流器大量使用时，会造成三相四线供电电网的地电位偏移，因而造成用电设备的损坏；（3）由于半桥逆变级工作在高频开关逆变状态，所以产生的高次谐波，会产生相应的电磁幅射干扰，影响其它用电设备的正常工作；（4）由于电路没有设保护电路，所以一旦市电电源供电发生故障（如电网电压升高过多）或灯负载发生破裂等故障时，易造成电路损坏，严重时还会发生火灾事故。
（二）双级谐振式高频交流电子镇流器
针对单级半桥谐振式高频交流电子镇流器电路存在的以上缺陷，人们又开发设计出了双级谐振式高频交流电子镇流器电路。它主要在普通的单级谐振高频交流电子镇流器的基础上，再加了一级有源功率因数校正（APFC）电路，用以进行交流市电输入整流滤波的功率因数校正，并限制高次谐波成分，从而达到减小电磁幅射干扰，提高输入侧功率因数的目的。并且由于有源功率因数校正（APFC）还有预稳压的作用，同时还可以调光（调节APFC输出电压），所以既可提高电子镇流器的电性能，又可提高电子镇流器的可靠性。
有源功率因数校正按电路构成可分为：降压式、升/降压式、反激式、升压式等几种。按控制市电输入电流的工作原理可分为：平均电流型、滞后电流型、峰值电流型、电压控制型几种。按功率因数校正电路中电感电流的工作方式又可分为：电流连续型（CCM）、电流不连续型（DCM）。
由于升压式有源功率因数校正电路具有PF值高、THD小、效率高，但需输出电压高于输入电压，适用于75W-2KW的应用场合，所以目前应用最为广泛。
由于DCM型APFC电路简单，开关管应力小的优点，所以在电子镇流器中应用广泛。
两级式具有APFC功能的高频交流电子镇流器电路由于增加了一级有源功率因数校正电路，所以增加了电路的复杂性，使成本提高许多，虽然双级式高频交流电子镇流器性能好，但由于成本、体积等原因也很难于大范围推广使用。
(三)无源功率因数校正
针对两级式有源功率因数校正电路的缺点，人们又试图探讨用无源功率因数校正的方法来提高高频交流电子镇流器的性能，如经常提到的有采用三只二极管和二只电容器的逐流电路的无源功率因数校正和高频复合能量反馈等方法，虽然在理论分析上可行，并有相应的实验结果、结论，但是至今未见广泛使用。还需进一步提高技术性能，但无疑这是一个很好的发展方向。
（四）常用高频交流电子镇流器调光
由于高频交流电子镇流器具有节能的优点，特别是在不需电子镇流器满功率进行的场合下，采用调光控制节能效果会更加明显。
调光控制有一个用户可控制的调光控制输入端并应具有以下基本功能：能检测灯电流、灯电压、灯功率；利用反馈电路来调节用户设定的亮度。
常用的调光方法主要有以下四种：占空比调光法、调频调光法、调节高频逆变器供电电压调光法、脉冲调相调光法。
1、占空比调光法
这种调光控制法利用调节高频逆变器中功率开关管的脉冲占空比，实现输出功率调节，对半桥逆变的最大占空比为0.5，以确保半桥逆变器的两个开关管有一个死时间，以免两个开关管共态导通损坏。
这种调光方法存在的问题是：如果电感电流连续并滞后于半桥电压Uxy，则开关可能导通时工作在零电压状态，关断瞬间需采用吸收电容达到ZCS工作条件，这样可进入ZVS工作方式，这是优点，EMI和开关管应力可明显降低。然而，如果占空比太小，以至电感电流不连续，将失去ZVS工作特性，并且由于供电直流电压较高，而使开关管上的应力加大，这种不连续电流导通状态将导致可靠性降低和加大EMI幅射。
除了小的脉冲占空比，当灯管发生故障时，也会出现不连续电流工作状态，当灯为开路故障时，电感电流将流过谐振电容，由于这个电容的容量较小，所以阻抗较大。除非两个开关管有吸收电路保护，否则开关管将承受很大的电压应力。
2004-3-17 11:24:04
2、调频调光法
调频调光法也是常用的调光方法。如果高频交流电子镇流器的开关频率增加，则电感的阻抗增加，这样，电感电流就会下降。
调频调光法的局限性：
A．调光范围由调频范围决定，如果调频范围不大，则功率调节范围也不大。
B．为了实现在低灯功率工作条件下实现调光，则调频范围应很宽（即从25KHZ--50KHZ）。磁芯的频率范围、驱动电路、控制电路可能限制调光范围。
C．在整个调频范围内不易实现软开关。轻载时，不能实现软开关，并使开关管上的电压应力加大。硬开关的瞬态过渡是EMI幅射的主要来源。
D．如果半桥逆变器不工作在软开关状态，则导致逆变器的损耗加大，导致效率降低。
E．当开关频率在红外遥控的频率范围内时，荧光灯将发射低电平的红外线，如果调频范围很大，其它的红外遥控装置如电视机将会受到影响。
F．灯电流近似反比于逆变器开关频率，调光与开关频率间不是线性关系。
G．当灯管发生开路故障时，将出现DCM工作状态，特别是当开关频率很低时。
3、改变半桥逆变器供电电压调光法
利用改变半桥逆变器供电电压法实现调光有以下优点：
A．调节半桥逆变器供电电压来实现调光。
B．采用固定占空比（约0.5）的方法，使半桥逆变器工作在软开关电感电流连续的宽调光范围调光（这也可使开关控制电路简化）。
C．由于开关频率固定，所以可以针对给定的灯型号简化控制电路设计。
D．由于开关频率刚好大于谐振频率，所以可以降低无功功率和提高工作效率。
E．由于开关频率固定，所以可以较方便的确定无源器件的参数。
F．在较宽的灯功率范围内（5%--100%）保持ZVS工作条件。
G．在很低的半桥逆变器供电电压下，将会失去软开关特性，将会出现电感电流不连续的工作状态。然而在直流供电电压很低的情况下，这种工作状态不再是个问题，这时的开关管应力和损耗将很小，即使硬开关在低直流供电电压情况下（如20V），也不会产生太