1 引 言
近 年 来 ， 高 频 荧 光 灯 电 子 镇 流 器 以 其 高 效 、 体 积 小 、 重 量 轻 、 无 频 闪 、 灯 寿 命 长 等 优 点 而 逐 渐 为 人 们 所 接 受 。
我 国 对 电 子 镇 流 器 的 研 究 和 发 展 是 在 上 世 纪 80年 代 末 到 90年 代 初 。 在 初 期 ， 很 多 厂 家 为 了 节 约 成 本 ， 选 用 的 拓 扑 结 构 较 简 单 ， 性 能 指 标 往 往 无 法 达 到 国 家 标 准 ， 而 且 极 易 损 坏 ， 这 无 疑 给 电 子 镇 流 器 的 普 及 造 成 了 更 多 障 碍 。 目 前 ,一 些 人 直 接 套 用 国 外 先 进 的 电 路 拓 扑 ， 致 使 设 计 方 法 纷 繁 复 杂 ， 甚 至 有 些 根 本 不 适 于 在 220 V/50 Hz电 网 下 工 作 。 随 着 节 能 问 题 越 来 越 受 到 关 注 ， 高 性 能 的 荧 光 灯 电 子 镇 流 器 需 要 增 加 调 光 功 能 ， 在 不 必 要 满 功 率 输 出 的 场 合 ， 降 低 输 出 功 率 ， 不 仅 节 能 ， 延 长 灯 的 使 用 寿 命 ， 而 且 还 能 起 到 变 换 视 觉 效 果 的 目 的 。 因 此 ,研 究 出 高 性 能 、 更 贴 近 灯 特 性 、 且 功 能 齐 全 的 电 子 镇 流 器 迫 在 眉 睫 。
2 设 计 要 点
2． 1 概 述
调 光 功 能 实 际 上 是 指 具 有 调 节 灯 上 的 输 出 功 率 的 功 能 。 当 照 明 装 置 并 不 需 要 满 功 率 输 出 时 ， 研 究 表 明 ， 应 用 调 光 系 统 可 节 能 50％ 。
在 传 统 的 无 调 光 系 统 镇 流 器 设 计 中 ， 由 于 灯 在 高 频 下 且 稳 定 工 作 时 ， 输 出 功 率 也 恒 定 ， 可 以 近 似 认 为 灯 是 定 常 电 阻 。 当 电 网 电 压 波 动 ， 或 由 于 其 它 原 因 使 灯 电 流 、 灯 电 压 发 生 变 化 ， 即 灯 电 压 、 灯 电 流 RMS值 及 灯 功 率 发 生 改 变 时 ， 只 要 通 过 闭 环 控 制 就 可 以 使 灯 稳 定 地 工 作 在 额 定 点 附 近 ， 灯 电 阻 就 不 会 发 生 很 大 的 变 化 。 然 而 ， 在 调 光 工 作 模 式 下 设 计 变 得 复 杂 了 ， 如 果 仍 然 把 灯 等 效 成 纯 阻 性 负 载 ， 会 产 生 相 当 大 的 偏 差 ， 因 为 在 不 同 的 调 光 等 级 ， 荧 光 灯 所 表 现 出 的 负 阻 特 性 是 不 同 的 。 因 此 设 计 调 光 式 电 子 镇 流 器 不 能 用 简 单 的 电 阻 负 载 来 等 效 灯 。
近 年 来 ， 由 于 采 用 计 算 机 辅 助 设 计 使 电 力 电 子 装 置 设 计 过 程 大 大 简 化 ， 并 且 可 以 得 到 更 多 的 电 路 工 作 信 息 。 常 用 的 仿 真 软 件 有 PSPICE、 MATLAB等 等 ， 而 在 电 力 电 子 装 置 的 设 计 中 以 使 用 PSPICE居 多 。 因 此 ，建 立 荧 光 灯 的 PSPICE模 型 成 为 迫 切 需 要 解 决 的 问 题 。
2． 2 荧 光 灯 的 建 模
荧 光 灯 的 建 模 主 要 有 两 种 方 法 ， 一 种 是 物 理 建 模 ， 它 是 基 于 灯 的 物 理 放 电 现 象 ， 然 而 这 种 建 模 方 法 都 要 涉 及 较 复 杂 的 方 程 式 和 很 多 变 量 ， 不 适 合 电 路 仿 真 ； 另 一 种 是 采 用 曲 线 拟 和 的 方 法 ， 它 是 利 用 灯 的 V－ I特 性 曲 线 建 模 ， 根 据 实 验 结 果 用 含 有 待 定 系 数 的 曲 线 方 程 去 近 似 ， 其 中 ， 有 的 用 立 方 曲 线 方 程 ， 还 有 用 指 数 曲 线 方 程 、 抛 物 线 曲 线 方 程 、 甚 至 用 线 性 方 程 去 拟 和 。
PSPICE模 型 可 以 是 静 态 模 型 也 可 以 是 动 态 模 型 。 静 态 模 型 需 计 算 出 在 不 同 工 作 点 时 灯 所 表 现 的 阻 抗 值 ,再 进 行 分 布 仿 真 ， 通 常 这 类 模 型 建 立 起 来 比 较 简 单 ， 但 应 用 十 分 不 便 。 动 态 模 型 需 要 在 工 作 点 变 化 时 ， 把 此 时 灯 所 呈 现 出 来 的 阻 抗 值 直 接 反 映 出 来 ， 包 括 它 的 启 动 过 程 ， 这 样 的 模 型 通 常 称 之 为 调 光 模 型 ， 这 种 模 型 非 常 适 用 于 调 光 式 电 子 镇 流 器 的 设 计 。 图 1是 一 个 荧 光 灯 PSPICE动 态 模 型 [1]。 它 是 基 于 指 数 曲 线 拟 和 而 成 的 ， 此 模 型 是 针 对 32W－ T8灯 建 立 的 。
2． 3 调 光 方 式
调 光 是 指 调 节 传 递 到 灯 上 的 能 量 ,从 而 改 变 灯 功 率 。 一 个 调 光 控 制 系 统 中 一 般 通 过 控 制 四 个 参 量 达 到 调 光 目 的 ， 即
1） 调 频
2） 调 节 占 空 比
3） 调 节 直 流 母 线 电 压
4） 调 节 谐 振 阻 抗 值 [2]。
频 率 控 制 指 的 是 改 变 开 关 频 率 fs， 使 工 作 频 率 远 离 谐 振 网 络 的 自 然 谐 振 频 率 而 减 少 灯 功 率 ， 此 时 保 持 占 空 比 D恒 定 不 变 。 占 空 比 调 制 是 指 在 fs恒 定 的 情 况 下 ， 改 变 开 关 的 导 通 时 间 ， 导 通 时 间 的 减 少 使 传 递 到 灯 上 的 能 量 减 少 从 而 使 灯 上 的 功 率 减 少 。 占 空 比 调 制 范 围 是 从 0变 化 到 0.5， 因 此 ， 限 制 了 调 光 范 围 。 调 节 直 流 母 线 电 压 指 的 是 改 变 直 流 母 线 电 压 的 幅 值 ， 同 时 保 持 fs和 D不 变 ， 这 种 控 制 方 式 只 能 用 于 双 级 拓 扑 结 构 中 。 阻 抗 控 制 是 指 改 变 谐 振 网 络 的 Ls、 Cr的 参 数 值 ， 这 种 控 制 方 式 实 现 起 来 较 复 杂 。 其 中 ， 采 用 调 频 方 式 的 电 路 结 构 较 简 单 ， 且 容 易 控 制 ， 因 此 ， 实 际 应 用 最 多 。 但 它 却 有 着 在 整 个 调 光 范 围 内 ， 不 易 实 现 软 开 关 ； 在 轻 载 时 ， 器 件 应 力 很 大 ； 且 硬 开 通 和 硬 关 断 使 电 磁 骚 扰 问 题 严 重 等 缺 点 。 为 了 扩 大 调 光 范 围 ， 则 需 扩 大 频 率 变 化 范 围 ， 而 频 率 范 围 又 受 电 磁 元 件 、 门 极 驱 动 电 路 所 限 制 ， 灯 电 流 近 似 与 逆 变 器 频 率 成 反 比 ， 因 此 设 计 电 感 等 电 磁 元 件 时 要 考 虑 这 方 面 的 影 响 。
2． 4 模 型 的 验 证
图 2使 用 一 个 简 单 电 路 验 证 一 下 灯 模 型 ， 拓 扑 仅 由 一 个 CLASS－ D逆 变 器 构 成 。 参 数 为 Ls=1.56 mH， Cr=5.6 nF， fs=45 kHz， D=0.45。
从 图 3中 可 以 明 显 地 看 出 ， 在 整 个 调 光 范 围 内 灯 电 压 几 乎 不 变 ， 灯 电 流 随 着 频 率 的 增 加 而 逐 渐 降 低 。 当 fs接 近 75 kHz时 ， 灯 电 流 急 剧 下 降 ， 继 续 增 大 频 率 ， 灯 将 会 熄 灭 。 由 此 说 明 此 模 型 能 够 很 好 地 反 映 灯 特 性 。
3 设 计 与 验 证
3.1 主 电 路 拓 扑
主 电 路 拓 扑 结 构 如 图 4所 示 。
电 子 镇 流 器 的 主 电 路 由 PFC电 路 和 谐 振 电 路 两 部 分 组 成 。 考 虑 到 两 级 结 构 的 成 本 过 高 ,因 此 将 两 级 中 的 功 率 开 关 管 共 用 变 成 单 级 结 构 。 图 4所 示 主 电 路 拓 扑 就 是 将 Buck－ Boost型 PFC电 路 与 并 联 负 载 串 联 谐 振 电 路 合 成 在 一 起 ， 灯 模 型 采 用 前 面 所 提 到 的 模型 。
3.2 理 论 设 计
对 于 上 述 拓 扑 ， 功 率 因 数 校 正 级 电 感 Lo是 和 频 率 有 关 的 量 ， 那 么 调 光 时 ， 随 着 频 率 的 升 高 ,电 感 电 流 可 能 要 连 续 ， 这 样 会 影 响 功 率 因 数 校 正 的 效 果 ， 灯 上 电 压 、 电 流 也 会 发 生 畸 变 ， 从 而 限 制 了 调 光 范 围 。 因 此 ， 它 的 参 数 选 择 至 关 重 要 [3]。 首 先 ， 由 于 电 感 电 流 工 作 于 DCM状 态 ， 电 感 电 流 的 峰 值 iin(peak)(t)正 比 于 线 电 压 ， 所 以 它 在 半 个 工 频 周 期 （ T/2） 内 为
