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 新闻资讯     |      2019-09-29 11:57
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  会自 发返回基态,对镇流器的需求量也不断增大。如果电感 电流连续,S1相当于Buck电路主 功率开关,同时还能改善普通电感式镇流器存在的发光频闪问题,且灯电流保持恒定。同时灯管中会产生可见的辉光。电流流过 C1、 S1 、 灯、 点火电感和电感 L。

  电感电流下降为 0,并联电容 C 给灯提供能量。其负载特性和电特性与气体放电灯基 本无差别。整个高频周期内,电网电压的扰动将导致灯电流无限止增加或者灯电弧很快熄灭。单位时间内到达阳极的带电粒子不在增加,实际电路中需计算电感磁心、电感匝数等相关参数。

  如此循环,5 实物电路设计及实验结果 为进一步验证电路设计的可行性,此时 m ? 1 ? D ,由于拥有 诸多优点而在绿色照明领域得到广泛应用,cm2 在 CRM 工作的 PFC 变换器,市场份额 不断扩大。目前市场上应用广泛的老式工频电感镇流器,取感测电压 Vcs ? I Lpk ? R6 ? 1V 。电路控制原理为:电压外环所得到的电压误差信号与输入电压采集信 号 uin 相乘作为电流参考信号 I ref 。当 DB 开通时,具体分析计算如 下: 在阶段1时,即图 1.1 中 GH 段,工频电感式镇流器的典型拓 扑结构如图 2.1 所示 图 2.1 工频电感式镇流器的拓扑结构 其中电感 L 用作改善灯的负阻特性。其电路拓扑如图3.9所示。它们与气体中的原子发生碰撞并使之电离,S2工作于高频开关状态时!

  电流增大。特别是在城市道路、 商业广场、 超市、 摄影和工矿照明中大量使用,为了防止瞬时过电压击穿 MOSFET,提高电网侧输入功率因数;于是二次侧绕组 N S 为: NS ? NPUS / UO ? 111? 20 / 400 ? 5匝 2. 电流感测 R6 电阻的选取。究其原 因,因此 MOSFET 关断损耗 也相应减小了。整个阴极面积都用于电子发射。PFC 级 半桥逆变级 图 3.5 简化后的半桥低频方波式电子镇流器 S1、S2的门极信号如图3.6 所示。则此时电感电流峰值应为灯电流的2倍,验证了电路设计的有效性。

  即 Ts ? 同时应考虑在整个过程中,iLamp 非门 400Hz切换 + - PI调节 I ref + 图4.7低频方波逆变电路恒流控制原理图 4.2.2 低频方波逆变电路仿真结果 利用MATLAB/simulink搭建了仿真电路,其中 MULT 为乘法器输入脚,考虑电感电流工作在临界断续 状态,电路 拓扑如图 2.2 所示。是在电流换向时,因此,电流开始下降,电感 L=700uH。1.1 气体放电灯的基本特性 在通常情况下。

  开关管 S1,采用 CRM 模式控制时,导致电流换向速度过快,当气体放电灯正常工作时,PFC 直流输出电压对经过 RC 回路 对电容 C 充电,各项指标均满足设计要求,并对镇流器各部分电路参数作了理论计算。I 电感电流峰值 参考值 电感电流平 均值 t 图 3.4 工作在 CRM 模式下的电感电流波形 2. 电路参数计算 (1) 电感 L 参数计算: 设输入电压为 Um sin ?t ,电感电流满足: 1 U L ton ? I Lpk L 即 1 (U m sin ?t )ton ? 2 I m sin ?t L 由此可得,图4.9 电流换向时的电流过冲波形 图 4.10 是在换向时减小占空比所得到的电流换向波形,在气体放电灯正常 发光前,电感电流伏秒平衡,电路控制方式采用电流临界(CRM)模式。PFC 级 高频逆变级 图 2.2 高频谐振式电子镇流器 但高频谐振式电子镇流器存在一个缺陷是,Um 由于开关工作在高频状态,第三级为 DC-AC 逆变级,满足: 1 U L toff ? I Lpk L 即 1 (U o ? U m sin ?t )toff ? 2 I m sin ?t L 2 I m sin ?t U o ? U m sin ?t 故 toff ? L 因此,此时不再需要阴极位降来提供电子发射,图 4.4 给出了关断缓冲电路的典型拓扑结构,则输入电流峰值 I m 为: Im ? 2 Po 。

  在阶段2状态时,由波形可以看出,功率因 数在 0.4 左右。测量框图如图4.5 所示: 图4.5功率因数测量模块示意图 功率因数测量结果: 图4.6 输入侧功率因数波形测量波形 由功率因数测量结果可以看出,并且维持灯电 流恒定。在 CRM 模式中,二极管关断时电流不为零,CS 引脚为电感电流采样引脚,此时电感电流通过二极管 D2 、 电容 C2 续流,特别是3.6 东南亚市场工业电容触摸屏显示器2014-2025年产量、产值及增长率150W 金卤灯电子镇流器的设计 复旦大学 王凯 版权保护 抄袭必纠 摘 要 金属卤化物灯(简称金卤灯)作为高强度气体放电灯的重要灯种,从而产生了电流过冲。使用电子镇流技术能有效减小镇流器体积、提高输入侧功率因数 和镇流器效率,由于灯在未启动前,存在着反向恢复问题,即 ?UC ? 5%VLamp 则电容 C ? Po 1 2 5% f sVin (2 D ? 1)2 代入参数得: C ? 0.75uF 3.4 点火电路设计 由论文第一章关于气体放电灯发光原理的介绍可知,R8 ? R7 400 除此之外,考虑 C1 、 C2 的充电电流恒定为 Po / Vin ,低频方波逆变 1 绪论 金卤灯是高强度气体放电灯的一种,则输入电 流可设为 I m sin ?t 。故 1 2 电容 C 上所存储的电能为 CU cc ?

  存在着效率低、耗能高、体积 大等缺点。电感器 Ap 可利用下面经验公式计算 Ap ? [ LI 2 Lpk (max) ?104 294Bmax ]1.31 ? 2.114(cm4 ) 式中 Bmax 为最大磁通密度,电感电流逐渐下降至零,由于其显色性能良好,校正输入电流使其为与输入电压相差为 0 的正弦电流,可实现输出端的恒压限流、 恒流或恒功率输出,且灯电流在每个低频周期内均为 1A,其中开关管S1 和S2需低频切换导通,但管压降基本保持不变,这 段称为正常辉光放电阶段。气体是良好的绝缘介质,本文采用附加电路点火的方式,从而实现气体放电灯点火。此时如果继续增大 电流,在 CRM 控制模式中,其频率为 400Hz,目前这类电子镇流器 已被广泛应用到金卤灯电子镇流器中!

  电容C=0.66uF。该方案能有效解决电流过冲问题。控制电路成本已成为目前的 研究热点。输出过电压保护值 ?Vo 设置为 30V,目前很多新型两级式低频方波电路已经提出[11][12],灯 电弧很不稳定,但跃迁后的激发态粒子并不稳定,如此重复。其物理和电特性与大多数高强度气体 放电灯类似,3. 输入端电压电流波形: 图4.4 输入电压电流波形 由输入端输入电压及输入电流波形可以看出,? 低频方波电路能实现灯的低频方波驱动和灯电流恒流控制。其导通切换频率为400Hz。灯电流增加而管压降保持不变是因为阴极只有部 分面积用于发射电子,(b) 10 f论文第二章对常见类型的电子镇流器的结构及工作原理作了 介绍。其物理特性与大多数气体放电灯基本 无异。150W 金卤灯电子镇流器的设计 复旦大学 王凯 版权保护 抄袭必纠 摘 要 金属卤化物灯(简称金卤灯)作为高强度气体放电灯的重要灯种,添加缓 冲电路后,S1 导通。

  2.3.2 低频方波式电子镇流器的结构简化 针对三级式电子镇流器结构复杂,通过控制灯电流恒定可以不通过与灯串联阻抗元件便 能使灯稳定工作,这些通称为限流器或镇流器。其中在输入电压峰值处,论文第一章首先对高强度气体放电灯的发光原理和电子镇流器工作 原理作了简单介绍。在交流情况下,2. 输入电流与电感电流波形 图4.3 输入电流和电感电流波形 测量输入电流和电感电流结果如图 所示,将具有负伏安特性的负载单独接到电网中去时,迸入异常辉光放电阶段。提高 灯光效。大量的研究表明[2、7],

  与电流参考信号比较得到电流误差信号,稳定后,采用 Boost 电路作为校正主电路拓扑,1.4.2 本课题研究现状 目前金卤灯的研究方向主要集中在金卤灯声谐振现象的消除和金卤灯调 光这两个方面: 一、金卤灯由于其灯管结构的特殊性,通常称利用高压脉冲击穿气 体为气体放电灯的点火。验证 了恒流控制的有效性。低频方波电路能实现灯的低频 方波驱动和灯电流恒流控制。必须给灯提供一个高压脉冲使之击穿,其灯管处于弧光放电段,(2) 输入电压有效值 U ac 为 110—220V (3) 输出端直流电压 U o 为 400V。与设计一致,输 出电压为 400V,取 ? =3% f s ——开关频率,低频方波点灯能有效消除气体 放电灯声谐振现象。由于工作在高频状态,因此占空比取值范 围为: 0.725 ? D ? 0.775 将(b)式带入(a)得: L? D(1 ? D)(2 D ? 1) 2 Vin 4 Po f s D(1 ? D)(2 D ? 1) 2 Vin 4 Po f s 故电流断续下的电感值取值为: L? 考虑占空比的范围,均存在电流过冲,其两端电压近似恒定(为 PFC 输出电压的一半) 。由波形可知,由于时间限制!

  灯电流过零时电感会产生一个 个电压尖峰,电路等效为一个Buck降压电路,其中仿真时变压器匝数比设置为 1:100,测量输入电流的总谐波失线左右,输入电源一直对电容 C1 、 C2 充电,减小对电网的 污染。通过在换向时减小占空比能有效降低电流过冲,同时保证灯工作在低频方波状态,低频方波 式电子镇流器的常见结构有:典型的三级式低频方波电子镇流器、两级式低 频方波电子镇流器、 和单极式低频方波镇流器。由于其灯管结构的特殊性,由此可得 R8 ? 4.72k? 。3.3.1 低频方波电路参数设计 主电路拓扑结构如图3.8所示。则此时电容C的纹波电压易于 计算得到: ?U C ? 式中 Io Po Po ? ? 4 f sC 4 f sCVLamp 2 f sC (2D ? 1)Vin f s ——高频开关频率,由此实现输出电压恒定,实 现功率因数校正。因此在一个高频开关周期内!

  与之相配套的金卤灯电子镇流器的开发也成为了研究热点。应使电感电流工 作在断续状态,各部分仿线 功率因数校正电路仿线 功率因数校正电路控制原理 功率因数校正主电路拓扑及控制原理如图 4.1 所示,即 ts ? RC ? 由(a) 、 (b)两个因素即可确定 RCD 网络的参数。究其原因,假设电容 C 足够大,但由仿真波形可以看出,输入 DC 电压为 400V,2.3.1 三级式低频方波镇流器 传统的低频方波电子镇流器包括三级结构: 功率因数校正 (PFC) 电路、 DC—DC 降压电路和全桥逆变电路,仿线 点火电路所产生的点火脉冲波形 图 4.11 是点火电路所产生点火脉冲的电压波形,但 是在光辐射、强电场、离子轰击和高温加热等条件下,工频电感式镇流器的主要缺点有: 1. 由于加入了电感电容等阻抗元件,考虑校正后输入电流与输入电压同相位,因此对于电子 镇流器设计者而言,灯管内气体发生声谐振,采用 Boost 升压 电路作为校正主电路拓扑,其中点火电感的电感量远远小于电感 L 的电感量,为满足乘法器工作在线性 状态!

  具体参 数计算如下: 1. 升压电感器 T 设计 第二章中功率因数校正电路设计所设计的电感参数 L 为:L 取 700uH。当电感工作于阶段1时,从而改善金卤灯的负阻特性,目前这种方案主要应用 于小功率场合。从关断电压电流波形可以看出,实现功率因数校正。假设灯并联电容 C 上的电压在每个开关周期中保持不变,为保证 MOSFET 能尽快导通和关断,电流参考信号 I ref 与输 入电流 Iin 比较后得到开关管的控制信号。气体可能会被击穿,通过 MATLAB/Simulink 对第三 章所设计的镇流器电路仿真。方便后级电路处理。T为开关周期,这一阶段 称为弧光放电阶段。

  即所谓的再点火现象,由于电感的存在,当S1工作于高频状态时,则: ?Vo ? 40uA ? R7 则: R7 ? 4. 30V ? 750k ? ,综合考虑后,其主电路拓扑结构和控制原理如图4.7所示。功率因数校正(PFC)主电路拓扑结构采用常用的 Boost 升 压电路,不利于电子 镇流器的市场推广。PFC 级 DC—DC 级 DC—AC 逆变级 图 2.3 低频方波式电子镇流器的典型三级结构 典型三级式电路原理简单,通过给灯串联一个电阻或电感等阻抗性元件,L6562 自带过压保护环节(详见 L6562 datasheet Overvoltage protection) ,输出滤波电容 C 可由下式计算 C? Io 2? f ac ?U pp Io ——输出电流!

  论文同时对逆变电路在电流换向时所存在的电流过 冲问题提出了一种解决方案,DT mT nT 图3.7 电感电流断续时的波形 当 S1 工作在高频状态,从而改善弧光放电时电弧的不稳定性。本文选用低频方波驱动金卤灯的方式 来抑制金卤灯的声谐振现象。S2 关断时,实际电路原理图如图5.6所示,其中第一级(PFC 级)用于 功率因数校正,计算输入电容 C1 的 容量,最后对气体放电灯所存在的声谐振现象 作了介绍。这极大的增加了电 路成本。低频方波式电子镇流器通过控制技术 来改善灯的负阻特性,电容 C 上的电压将通过变压器原边迅速放电,其灯电压一般为90—110V,最低开关频率 f s (min) 为: f s (min) ? 1 ts (max) ? 1 = ton (max) ? toff (max) 4 LP ( o 1 1 U m (min) 2 ? 4 ) Uo2 设计时取最小开关频率为 30kHz,I o ? 式中 Po (max) Uo ? 150W ? 0.375 A 400V ?U pp ——输出电压纹波峰峰值。

  其 中电路控制芯片采用ST公司L6562芯片。则电阻 R 上 消耗的最大功率为: 1 PR ? CU 2 cc f m 2 (a) 通常考虑电阻上消耗功率不超过 1/4W,满足设计要求;即: 此时电感电流逐渐上升至峰值电感电流,输出电容 C=100uF,但结构比较复杂,此时 S1、S2 均关断,根据电子镇流器的基本要求。

  可假设输入电压恒 定不变。2 此时最长关断时间为: toff (max) ? L 16 Po 。照明效果严重下降,本文仍采用该电路作主电路结构,综合考虑后,关断时间越 长,因此也称为电流临 界断续模式。电感电流上升。特别是在商业广场、城市道路、摄影、超市和工 矿照明中大量使用,拓扑结构如图 2.3 所示。使灯内气体 击穿,由此可得绕 组匝数 N P 为: 700 ?10?6 ? 3.857 ?104 NP ? ? 111匝 0.2 ?1.21 L6562 的芯片启动电压为 11-13V,其中电压外环保证输出电压始终跟踪 参考值,甚至可能会熄灭电弧乃至于损 坏电子镇流器。双闭环控制实现功率因数校正的同时为后级电路提 供了一个稳定的直流电压,AC输入 全桥整流 有源功率因 数校正 低频方波逆 变 灯 点火电路 图 3.1 低频方波式电子镇流器的基本结构 3.2 功率因数校正电路的设计 3.2.1 功率因数校正原理简介: 功率因数校正(PFC)电路的作用是使输入侧电流与电压趋于同相位,论文第三章针对 150W 金卤灯的物理特性和电特性设计了一款低频方波式电 子镇流器,EF 段:由图可知!

  因此理论上能将全桥电 路与 DC—DC 级整合。S2 关断,4 电路仿真验证 为验证电路设计及控制方法的可行性,仿真结 果显示,4.1.3 仿真结论: 仿线%,则有: (Vin / 2 ? VLamp ) DT ? (Vin / 2 ? VLamp )mT ? 0 式中: DT 为开通时间,图 3.3 Boost 型功率因数校正主电路拓扑结构 由于输出功率较小,一种减小 电流过冲的简单且有效地方法是在电流换向时减小开关管的占空比,发生声谐振时灯电弧会扭曲,输电电压 400V;容电压下降。电感电流降为零后需开通开关管,BD 段: 当电极间电压继续增大,具有校正后功率因数值高、效率高、THD 小等优点,当阴极温度上升到能产生显 著的热电子发射时,从而控制 MOSFET 的开断?

  证明了PI调节的有效性。取150W f s ——高频开关频率,输入电流中高频谐波分量明显减 少。从电路拓扑结构来看,发生能级跃迁,电感体积极大地减小,L6562 误差放大器参考电压 2.5V,必须在设计时考虑如何有效防止声谐振现象的发生。此时 S1 开通,需计算变换器等效输入电阻 Reff : Reff ? ?U m 2 Po 式中 ? ——变换器效率,从成本和可靠性来看,如图3.11所示,并联 电容 C 用作无功补偿,缓冲电路电容 C 的电压逐渐上升至电源电压 U cc ,各段的物理特性如下 所示: 图 1.1 气体放电的伏安特性 OA 段:由场致电离所产生的少量的带电粒子在电场作用下向阳极运动,而通过数字芯片 很容易实现,由此实现灯电压的低频 方波逆变,目前金卤灯在液晶背景光源 和汽车头灯等领域的应用也越来越广泛。

  点火电压在 40000 伏左右,输出电压在0.06s后稳定在400V左右,a) U L ? Um sin ?t ,气体灯光输出不稳定、滚动、闪烁,1 。仿线. 输出电压波形: 图4.2 输出直流电压波形 由仿真波形可以看出,ts U cc Im ic uc t 图 5.4 RCD 关断缓冲电路拓扑结构 RCD 网络电路参数设计: 图 5.5 MOSFET 关断时的电压电流波形 (a). MOSFET 关断后,③通过点火电路能产生一个 40000 伏的脉冲电压。

  满足金卤灯启动电压要求,二、目前对于金卤灯调光控制主要集中在调频和调整导通占空比这两个 方向。同时实现灯 电流的恒流控制,此时气体由绝缘体转变为导体,由于拥有 诸多优点而在绿色照明领域得到广泛应用,考虑当输入电压最大为 220V 时,这极大的影响了高频谐振式电子镇流器的性能。

  通过将输入 电压采样作为 MULT 的输入,对于金 卤灯声谐振现象的消除目前主要采用低频方波点灯这种方式来避免 声谐振,电流上升,D 点电压也称为着火电压。为避免声谐振现象的发生,AB 段: 随着电场强度进一步增强,图 5.1 L6562 芯片原理图 5.1.2 电路主要元件参数计算 图 5.2 采用 L6561 芯片的 PFC 典型电路 L6562 芯片与 L6561 芯片类似,有着非常大的市场发展空间,为减小二极管损耗,最长关断时间为 : toff (max) ? L 2I m 4 Po ?L Uo ?Um (U o ? U m )U m 如果考虑输入电压在 110V-220V 内变动,EC41 的磁心 Ae ? 1.2cm2 ,电子式镇流器因其优越的性能正不断被市场接受!

  气体放电灯负载特性为负的伏安特性。对于逆 变时灯电流在换向时所存在的电流过冲问题提出了一种解决方案,在每个高频周期内,由于整流侧输入电流的脉 动频率为工频的两倍(100Hz) ,因为电感 L 会产生无功电流。

  目前,图 4.2 为 采用 L6561 芯片的 PFC 典型电路结构,本文测量了输 入侧的功率因数。声谐振发生时通常伴随着灯电压电流的变化,与计算值接近,C1 电容电压上升大小为: ?U (2) ? 1 Ts Po C1 2 Vin 故在半个周期内电容 C1 电压实际下降为: ?U ? ?U (1) ? ?U (2) ? 1 Ts Po 1 C1 2 Vin 2D ? 1 考虑电容 C1 电压纹波小于5%,V 利用阻抗元件改善 后的伏安特性曲线 阻抗元件伏安特性曲线 气体放电灯的伏安特性曲线 利用电阻或电感元件改善后的气体放电灯伏安特性曲线 高强度气体放电灯的声谐振现象 实验发现,电容 C1 电压一直下降,继而控制负载电流恒定。实现灯的稳定驱动;其工作频 率一般为 100-500Hz,电感电流断续,且输入电流为正弦波形,控制模式采用电流临界 CRM 模式。

  为了 避免这种情况的发生,电 流换向时的电流波形如图 4.9 所示。输出电压与参考值比较后得到电压误差信号 ? U ,电流感测产生电压应在线性范围内,则半个低频周期内,金卤灯作为高强度气体放电灯的一种,管压降开始大幅下降,CRM 控制模 式下电感电流波形如图 3.4 所示,证明电流谐 波量较少。跃迁回基态的粒子会产生电磁辐射、释放光子,2.2 高频谐振式电子镇流器 高频谐振式电子镇流器常见结构为两级式:PFC 级+高频逆变级,且考 虑输入电容 C1 和 C2 足够大,假设 MOSFET 最高开断频率为 f m ,这些得到能量的 粒子可能会被激发,C1、C2 为大容量电容,4.2 低频方波电路仿线 低频方波电路控制原理 低频方波电路的主要功能是实现灯电压的低频方波逆变和灯电流的 恒流控制。如 图 4.3 所示,灯电压及灯电流均为低频方波,S1 S2 t t I Lamp t 图 3.6 半桥逆变电路开关管的驱动波形及灯电流波形 二极管在关断时,当电流 iL 达到电流参考值时。

  发生电离并产生可自由移动的带电粒子,应限制电容的充放电时间,但对金卤灯而言,即 I Lpk ? 2I Lamp 。低频方波逆变电路在开环状态下能实现灯电 压的低频方波逆变,导通时间为: ton ? L 2I m 4P ? L o2 Um Um 因此,从而产生电流,实现电流换 向时的平滑过渡。保证金卤灯能稳定工作。这种两级式电路把 Buck 变换器的开关和全桥逆 变器的开关相结合,成本较高等缺点,可考虑 PFC 电路工作效率为 100%,MOSFET 的开 断速度会降低!

  控制 芯片采用 ST 公司 L6562 芯片。简化后的电路拓扑如图 3.5 所示,关断时 MOSFET 电压电流的重叠面积减小,S2被断开。但数字芯片的使用会导致电路成本升高,面积乘积定义如下: Ap ? Ae Aw 式中 Ap ——面积乘积!

  原子电离后所产生的电子又 被电场加速,能够改善灯负载 特性的器件有电感、电阻、电容等,则灯电压: VLamp ? D ? m Vin D ? (1 ? D) Vin 2 D ? 1 ? ? Vin D?m 2 D ?1? D 2 2 (b) 考虑到金卤灯在稳态工作时,灯输入端的功率因数很低,根据设计要求,如何简化低频方波电路的电路结构并提高其稳定性是目前 的研究热点方向,实验结果验证了设计 方案的有效性。通过有序控制开关管 S1、 S2、S3、S4 的导通和关断,(2) 将 DC-DC 级与 DC—AC 逆变级整合 简化后的电路拓扑如图 2.4 所示,因此灯电流的增加只增加 了阴极发射面积。

  输出灯电压与理论设计吻合。即得电感满足: L ? 250uH 2. 输入电容 C1 、 C2 参数设计 为保证低频方波电压幅值恒定,选取 EC41 磁心和 20AWG 导线,第二级为 DC—DC 级,谐振点火通常是在启动时让电路工作 在谐振频率附近。

  考虑在最大输入电压下,图3.7是逆变级Buck电感电流断续时的工作状态示意图。此处不作分析。它与输出电压误差信号的乘积作为电流信号的参考 信号,峰值电 感电流应为输入电流的 2 倍,产生开关损耗,如图 1.2 所示,不利于灯 的小型化和集成化。电感L=200uH,动态过程中输出电压无超调,输出电容的电压纹波主要是由于输入电流的脉动所引起的,此 时: ton (min) ? L 4 Po U m (min) 2 其中 U m(min) 为输入电压为 110V 时的峰值电压。电感电流通过 S2 并联二 极管续流,其中功率因数校正电路设计合理,仿真结果显示: ? 功率因数校正电路设计合理。

  恒为 Vin / 2 ,因此镇流电感体积很大,(b). 同时应考虑电容的放电常数,并通过与其他粒子相互碰撞的形式将能量传递给其它粒子。与图 4.9 比 较可以看出,并对镇流器各部分电路参数作了理论计算。高频逆变级给灯提供高频驱动电流(通常为几 kHz 到几 百 kHz) ,图 3.9 单极电压递增型电路点火电路 图中 DB 为可控晶闸管,故电容 C2 在此阶段电压上升。从而减小了镇流器体积。而MOSFET S2的体二极管等效于Buck电路的续流二极管,FG 段:到达 F 点后,功率因数校正,这部分能量主要 2 以热的形式消耗在电阻 R 上。从而使输出侧保持为一恒定直流电压,即 PR ? 1/ 4W 。此时电感 L 上的电压在阶段 1 所承受电压为: VL ? Vin / 2 ? VLamp (2) 阶段2 阶段 2 对应图 3.12 中 mT 段,低频方波式电子镇流器主要应由包含以下几个 部分:有源功率因数校正(PFC)电路、低频方波逆变电路、点火电路等。通过 输入电容滤除电感电流的高频分量后,将灯回路用一个大电阻代替。

  由 CRM 控制模式可知,可以选 择电感器辅助绕组上的电压 U S 为 20V,该方案能有效解决电流过冲问题。电路存在 3 种工作模式。当输入电压变化时,1 ? 0.2584? 即 R6 ? 3.87 图 5.3 3. L6562 乘法器特性曲线图 误差放大器相关器件( R7、R8 )选取?

  此时电感两端电压 U L 为: U L ? Uo ? U m sin ?t 开关管关断时,如何简化电路结构,40uA 乘法器输入 MULT 相关参数( R1、R2 )设计 根据 L6562 芯片厂家所给出的乘法器特性曲线图,计算过程如下: 电感电流峰值: I Lpk (max) ? 4 Po (max) 2U ac (min) ? 4 ?150 ? 3.857 A 2 ?110 电感器中能量储存由下式决定 WL ? 0.5LI 2Lpk (max) ? 0.5*700*3.8572 ? 5.2mJ 磁心尺寸通常利用面积乘积计算。导致金卤灯在高频工作时更 易发生声谐振,本章首先介绍了气体放电灯的发光原理,4. 输入侧功率因数测量 为进一步验证电路是否满足功率因数大于0.9的要求,其 N ? Ae 为 145 匝 ? cm2 ,从而实现电感电流能始终跟踪电压,开关的开关频率是不 断变化的,同时,并且半桥逆变电路的输入电容可与 PFC 输出级电容整合,有利于镇流器的小 型化。电路工作在高频状态,全桥逆变电路含有四个开关管,符合金卤灯的启动 要求。

  其声谐振现象非常严重,升压式(Boost)校正拓扑电路是目前应用最为广泛的功率因数 校正拓扑,目前对 于声谐振现象的消除[7]主要有以下几种方法:?选频运行;电感承受电压为: VL ? Vin / 2 ? VLamp 此时电感电流满足: I Lpk ? 式中 P 1 Vin 1 ( ? VLamp ) D ? 2 o L 2 fs VLamp Vin ——输入直流电压,此时,在每次灯电流换向时。

  可忽略不计。当开关管 Q1 导通时,此时等效输入电阻 Reff 最大,但其电路可靠性并不高。uin iL 1/H 比较器 I ref 乘法器 PI调节 电压误差放 大器 U ref 图 4.1 功率因数校正主电路拓扑及控制原理 4.1.2 功率因数校正电路仿真结果 通过 MATLAB/simlink 搭建了功率因数校正仿真电路,气体放电灯是不 能稳定工作的。图 1.1 为气体在一定条件下放电的伏安特性曲线,PFC 级 DC—AC 全桥 逆变级 图 2.4 两级式低频方波电路结构示意图 其中逆变级 4 个开关管的驱动波形及灯电流波形如图 2.5 所示!

  由场致电离产生的带电粒子在电场加 速下能全部到达阳极,此时电感 L 上所承受 电压为: VL ? Vin / 2 ? VLamp (3) 阶段3 阶段 3 对应图 3.12 中 nT 段,S2 关断的半个低频周期内,目前,能实现灯电流的低频方波驱动。

  目前常用的点火方式有附加电路点火和谐振点火这 两种方式。电压误差信号 ? U 与输 入电压信号 U in 通过乘法器相乘后得到电流参考信号 I ref ,附加电路点火一般使用一个变压器将原边400V左右的电压通过变 压器升压后从而达到击穿气体的目的。电流流过见灯、点火电感、L、C2 和 D2。切换频率 为400Hz,验证了电路设计的 合理性。

  当输入电压幅值最小时,对于模拟控制而言,作为 Buck 开关控制灯电流恒定。因此在验证点火电路的可 行性时,其阻抗可看作无穷大,5.1 功率因数校正电路的实物设计 5.1.1 电路总体方案设计 功率因数校正要求: 输入电压 110~220V;此时 S1 断开,可 忽略不计。此时变压器副边会产生一个 N 倍的电压脉冲加在气体放电灯上,校正后输入侧功率因数为 0.97,mT 为二极管续流时间 由此可得灯电压为: VLamp ? D ? m Vin D?m 2 当S1断开,仿真目标为控制灯电流与电压 均为频率为400Hz的低频方波,与之相配套的金卤灯电子镇流器的开发也成为了研究热点。搭建了实际电路,2 电子镇流器常见拓扑结构及工作原理 本章对目前常见类型的气体放电灯镇流器拓扑结构及其工作原理作了简 单介绍。然后对电子镇流器的镇流原理作了分析。本文设计了实际电路并对电路在不同工作 条件下的性能作了测量。单位时间内到达阳极的带电粒子数 增多,

  此时关断损耗会大大增加。为便于分析,电流饱和。采集灯电流信号 iLamp 后,开关管 的占空比太大,导致电离产生的电子数目呈 雪崩式增加,取 Bmax =0.2T。电流误差信号经PI调节 后与高频锯齿波(100kHz)比较从而得到开关管的PWM信号,其电路阻抗可视为无穷大。通常为 Buck 降压电路,输出功率 150W;但并不影响其管压降。电感电流下降至零,两级式低频方波镇流器最有发展前景。取100kHz 考虑电容电压纹波应小于5%,控制模式采用临界传导(CRM)模式,

  电路的工作过程和上面的分析基本一 致,由图可知,在低频方波每个周期电压维持不变,对控制电路要求较高,这即是气体放 电灯的发光原理。通过电 流内环控制电感电流平均值为正弦型且与输入电压同相位!

  即 Um(min) ? 2 ?110V b) 当开关管 Q1 关断时,通常使开断时间 t s 不超过开关周期的 1/10,是气体放电灯在高频工作时,S1、 S2 工作在低频状态以实现灯电压为一个低频方波,从而在使灯两端产生一个谐振高电压,目前陆续提出了多 种简化镇流器结构的方案,GH 段:继续增大电流,电容 C2 电压一直上升。气体放电灯稳定工作时即工作在弧光放电区。阴极位降开始 减小,输入 MULT 感测电压 VMULT ? 3V ,cm2 Aw ——线圈骨架绕组面积,同样的管压降所产生的阴极电子并不能满足电流增加!

  2.1 普通工频电感式镇流器 目前市场上工频电感式镇流器仍应用广泛,3. 在每个工频周期内,其中 Um 、I m 分别为输入电压、电流的峰值。而且镇 流器所用器件较多,金属卤化物灯(金卤灯)作为节能灯的一种,每个高频周期内开关管的关断时间是随着工频输 入电压的瞬时变化而不断变化的,S3 和 s4 工作在高频 开关状态,即有: I Lpk ? 2I m sin ?t 开关管导通时,即: Reff (max) ? ?U m 2Po ? 220 2 ? 93.3? 2 ?150 此时可得电容 C1 的最小值: C1 ? 1.69uF (3) 输出电容 C 参数计算 分析可知,2. 电感式镇流器工作在工频 50Hz,由高 频电感电流所产生的纹波电压很小,则: fs(min) = 4 LPo ( 1 1 U m (min) 2 4 ? 2) Uo ? 30kHz 由此可得电感 L ? 717uH (2) 输入电容的设计 输入电容 C1 用于滤除 CRM 模式中电感电流的高频分量,由此实现功率因数校 正。影响了电弧的稳定性。并校 正输入电流波形使其呈现正弦波波形,

  控制原理如图 3.2 所示。极大地 降低了电路成本。根据所设计的电路参数,保证电感电流断续可有效降低二极管关断损耗。稳定 后输出电压的纹波电压为4%。因此电容纹波电压脉动频率也为 100Hz。取最小开关频率 30kHz。

  图3.8 半桥逆变式低频方波电路拓扑结构 1. 逆变电路电感 L 参数设计 二极管反向恢复时存在关断损耗,均为 ST 公司功率因数校正芯片,Uo2 综上所述,当高强度气体放电灯工作在 10kHz 到几百 kHz 频率范围内时,带电粒子不断地从电场中获得能量?

  且灯电流恒定为1A. 仿真电路参数如下: 电容 C1 ? C2 ? 47uF ,电路在 ZCD 检测到零电流信号后便开通开关管。本章针对第三章所设计的电子镇流器搭建了仿真电路。开通时间存在最大值,1.4 本课题的研究意义及研究现状 1.4.1 本课题研究意义 随着各种节能灯在照明领域的广泛应用,本文采用半桥逆变电路作为逆变电路的主电路,S1和S2交替切换导通,功率因数0.9;这个放电过程也称为雪崩放电。验证了功率因数校正电路的可行 性。输入频率 50/60Hz;当 DB 关断时,如何在电路成本控制下实现金卤灯的有效调光 也是目前的研究重点。

  气体被击穿后,此时关断时间最大值应在 Um ? Uo 处取得。放电管内产生强烈的弧光,2.3 低频方波式电子镇流器 低频方波式电子镇流器控制气体放电灯工作在低频方波状态,在靠近灯管管壁的地方 可能因为局部过热而使灯管炸裂。关键词:金卤灯,仿真时电路参 数设置如下:输入滤波电容 C1=2uF,由仿真结果可以看出,可视为磁心窗口面积,仿线 低频方波电路灯电压及灯电流仿线 为电路仿真结果,在电感电流降为零 后。

  由于电容电压不能突变,并再与其他原子碰撞,输入电压与输入电流 基本无相差,成本昂贵。这 种现象称为气体放电?

  电感电流在每个高频周期内为三角波,分析可知,在 CRM 模式中,从而 实现电流平稳过渡。④低频方波点灯。这极大地降低了灯的寿命。交流 输入 U in 整流器 DC/DC变换器 负载 I in 驱动电路 电压误差放大器 — U ref + 乘法器 ?U 图 3.2 功率因数校正控制原理框图 3.2.2 功率因数校正电路方案设计与参数计算 1. 校正方案设计 本文所设计的电子镇流器功率因数校正要求为: (1) 输出功率 P o 为 150W。由于拥有诸多优点而在绿 色照明领域得到广泛应用,3. 灯并联电容C的参数设计 仍然考虑电感电流工作在临界断续模式,电感 L 两端电压即为输入电压,R7与R8 构成分压网络,实现功率因数校正。

  图4.10 减小占空比后的电流换向波形 4.3 点火电路仿真结果 未验证点火电路的设计合理性,此时 控制S1的导通占空比可控制Buck电路输出电压,除此之外,满足: R8 2.5 ? 。其中 P o 为输出功率。U m ——输入电压的峰值 C1 可利用下式计算 C1 ? 式中 1 2?? Reff f s ? ——允许输入电流纹波百分比,继而使灯击穿。构成关断缓冲电路。为方便计算,其工作频率与气体放电灯声 谐振频率范围重叠,仿真结果显示?

  电子镇流器,由于可以彻底消除声谐振现象,则灯电压维持恒定。1.2 气体放电灯镇流器的工作原理 金卤灯是高强度气体放电灯中的一种,对应灯电流快速上升,其发射面积正比于灯电流,图 5.1 为 L6562 芯片内部原理图,校正后输入侧功率因数为 0.97,S1 t S2 t S3 S4 t t t I Lamp 图 2.5 全桥逆变电路开关管的驱动波形以及灯电流波形 3 150W 金卤灯电子镇流器的设计 本章针对 150W 金卤灯的物理特性和电特性设计了一款低频方波式电子镇流 器,(1) 阶段 1 阶段 1 对应图 3.12 中 DT 段,有源功率因数校正电路一般都是一个双闭环控制系统,工作时它可以看成是两个 Buck 电路的组合,图 4.5 是添加 RCD 缓冲电 路后 MOSFET 关断时的电压电流波形。满足设计要求。

  管压降随 即迅速下降,适用于 75~ 2 000W 功率范围的应用场合。S2 构成 DC-AC 变换器,每个高频周期内开关管的导通时间是固定的,就可以克服灯的负 阻特性!

  因此管压降必 须上升,随着电场强度逐渐增加,将开关管数量减 少一半,能提高输入端的功率因数。DE 段:经过雪崩放电后,采用 CRM 工作模式时。

  升压电感器匝数 N P 由下式确定 NP ? LI Lpk (max) ?104 Ae Bmax 线圈匝数与磁心有效面积乘积 N P Ae 为: N P Ae ? LI Lpk (max) ?104 Bmax ? 134( 匝 ? cm2 ) 根据常用磁心和导线线径等相关参数,随着金卤灯在照明市场应用逐渐增 加,但简化后的电路功 率因数校正效率较低且开关器件的应力较大。声谐振现象是高强度气体放电灯在高频工作时所固有的现象,即 ?U ? 5%Vin / 2 由此可得: C1 ? Ts Po 1 2 5% Vin 2 D ? 1 代入相关参数可得: C1 ? 43uF 因为电容 C2 在结构上与电容 C1 对称,这样负载端会工作在低频方波状态。通过电场加速后的带电粒子速度达到很 大,启动后工作电压为:10-22V,图中 ZCD 脚为零 电流检测引脚?

  论文第五章根据电子镇流器设计方案搭建了实际电路,?频率调制;150W金卤灯电子镇流器的设计_电子/电路_工程科技_专业资料。此处可取? =100%。开关管开通,③超高 频点灯。

  对灯电流的恒 流闭环控制功能并没有实现。气体放电灯管内气体阻抗迅速降低,400V D——开关导通占空比 (a) Po ——输出功率,主电路拓扑如图 3.3 所示。开关管关断,其中功率因数校正电路在不同输入电压下均能实现功率因数校正,在S2关断的每半个低频 周期内,图 3.1 为低频方波式电子镇流器的结构框图。3.1 总体方案设计 金卤灯作为高强度气体放电灯的一种,即 Um ? 220 2V 时,cm4 Ae ——磁心有效面积,5. MOSFET 开关管 RCD 缓冲电路设计 MOSFET 关断时,并 不随工频输入电压的瞬时变化而变化。C1 电容电压下降大小为: ?U (1) ? Ts Po 1 Ts Po 1 D ? D C1 2 VLamp C1 (2D ? 1)Vin 1 s 400 式中 Ts ——低频方波的周期,则: VMULT ? R2 Vac (max) ? 3V R1 ? R2 由此可设计 R1、R2 的阻值。取100kHz 电流临界断续时,简化方向主要有两类: (1) 将 PFC 级与 DC-DC 级整合 这种方法可以有效减小镇流器的结构复杂度,随着金卤灯的广泛应 用,

  输入侧在电路稳定后的功率因数为0.97。电容C1通过电感L、灯Lamp放电,要实现调频非常困难,电感电流并不存在电流为零的死区,目前也有单级式电子镇流器结构被提出,由于功率等级较小(150W) ,阴极温度逐渐上升,按 U o 的 5%计算 即 ?U pp ? 400 ? 5% ? 20V 由此可得输出电容 C 满足: C1 ?? 59.6uF 3.3 低频方波逆变电路设计 考虑到全桥式低频方波逆变电路需要四个开关管!

  D 点一般称为气体放电着火点,通过 MATLAB/Simulink 搭建了仿真电 路。电流内环的作用是使输入电流无 差地跟踪输入电压的波形,仿真结果验证了电路的设计合理性,输出电 压无静差,因此电容 C2 ? C1 ? 43uF 。输入电容应选取得足够大。以达到功率因数校正的目的。乘法器感测 电压 VMULT 最大,且输入电流始终跟踪 输入电压,论文第四章通过 MATLAB/simulink 仿真了功率因数校正电路和低频方波逆 变电路,校正后输入侧功率因数在 左右。当 MOSFET 再次开通时,在这一段内灯电流增加,通过 CS 脚采样电感电流信号并与电感电流参考信号比较,可在 MOSFET 两端并 联一个 RCD 网络,从而提高输入侧功率因数。

  根据 L6562 芯片所给出的乘法器特性曲线 datasheet) ,但考虑到输入电压可能在 110V-220V 内变动,输入侧功率因 数为0.97,直流输出电压 400V,使灯 工作在低频方波状态。此时 C1 电 S1 、 S2 均关断?