一種高性能電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)及其專用集成控制器的實現(xiàn)-技術(shù)方案

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1引言

電子鎮(zhèn)流器（Electricalballast），是鎮(zhèn)流器的一種，是指采用電子技術(shù)驅(qū)動電光源，使之產(chǎn)生所需照明的電子設(shè)備。與之對應(yīng)的是電感式鎮(zhèn)流器（或鎮(zhèn)流器）?，F(xiàn)代日光燈越來越多的使用電子鎮(zhèn)流器，輕便小巧，甚至可以將電子鎮(zhèn)流器與燈管等集成在一起，同時，電子鎮(zhèn)流器通常可以兼具起輝器功能，故此又可省去單獨的起輝器。電子鎮(zhèn)流器還可以具有更多功能，比如可以通過提高電流頻率或者電流波形（如變成方波）改善或消除日光燈的閃爍現(xiàn)象；也可通過電源逆變過程使得日光燈可以使用直流電源。

目前，世界上一些著名的大專院校、科研院所、公司都投入了較大的力量進(jìn)行高頻交流電子鎮(zhèn)流器的科研開發(fā)、生產(chǎn)。如美國弗吉尼亞大學(xué)功率電子研究中心（VPEC）李澤元教授領(lǐng)導(dǎo)的科研中心每年都有相關(guān)論文和實驗在IEEE功率電子學(xué)學(xué)刊刊出，并提出了如高頻能量反饋、采用電荷泵功率因數(shù)校正的電子鎮(zhèn)流器等概念，美國加州理工大學(xué)（UCT）的S.CUK教授關(guān)于單級高功率因數(shù)電子鎮(zhèn)流器，一種用于緊湊型熒光燈的E類電子鎮(zhèn)流器，西班牙、巴西、我國臺灣和香港地區(qū)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員、實驗室進(jìn)行科研開發(fā)。同時，國內(nèi)一些著名科研院所、大學(xué)等都投入了較大力量進(jìn)行科研開發(fā)。這一點可從國內(nèi)相關(guān)科技文獻(xiàn)看出。但是勿容置疑的是我國是世界上電子鎮(zhèn)流器的一個生產(chǎn)大國，有較多的公司、企業(yè)從事這種"綠色電光源"產(chǎn)品的生產(chǎn)。特別是自20世紀(jì)80年代末、90年代初，IEC928（1990）、GB15143（1994）《管形熒光燈用交流電子鎮(zhèn)流器一般要求和安全要求》及IEC92（1990）、GB/T15144《管形熒光燈用交流電子鎮(zhèn)流器的性能要求》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相繼頒布與實施，使交流電子鎮(zhèn)流器的研究、開發(fā)、生產(chǎn)有了統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范。由于高頻交流電子鎮(zhèn)流器要求體積小、造價低，并且對電磁輻射干擾、輸入功率因數(shù)、波峰因數(shù)、可靠性等技術(shù)指標(biāo)要求嚴(yán)格，所以要做出一個滿足高性能、低價格、體積小、低電磁輻射干擾、使用安全可靠等要求的高頻交流電子鎮(zhèn)流器并非易事，所以往往讓人感到，看似簡單的一個電子產(chǎn)品，但是技術(shù)含量很高，是一個涉及電路拓?fù)?、高頻電子變換、諧振開關(guān)（ZVS、ZCS）、LC串、并聯(lián)諧振、功率因數(shù)校正（PFC）、電磁干擾抑制（EMC、EMI）、信號傳感、采集和控制、電子元器件、電光源器件等電力電子技術(shù)方方面面的電子產(chǎn)品。同時，如何測量高頻交流電子鎮(zhèn)流器的技術(shù)參數(shù)，如功率、高頻諧波成分、效率、電磁輻射干擾（EMI），也是高頻交流電子鎮(zhèn)流器的研究熱點。

表1低、中、電子鎮(zhèn)流器簡要比較

我們認(rèn)為，高性能電子鎮(zhèn)流器應(yīng)該是既具有功率因子校正，同時兼?zhèn)錈艄軣艚z預(yù)熱、燈光調(diào)節(jié)和燈電路保護(hù)等功能，且完全符合IEC555-2及類似標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，為此，本文就高性能電子鎮(zhèn)流器必須具備的電路結(jié)構(gòu)和功率因子校正電路的基本原理作簡要討論，著重介紹美國微線性公司的電子鎮(zhèn)流器專用集成

控制器ML4831,ML4832,ML4833及由其構(gòu)成的高性能電子鎮(zhèn)流器電路。

2高性能電子鎮(zhèn)流器的電路結(jié)構(gòu)

電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中RFI和EMI濾波器將來自電網(wǎng)的傳導(dǎo)射頻干擾和電磁干擾濾除，同時阻礙鎮(zhèn)流器電路產(chǎn)生的傳導(dǎo)射頻及電磁干擾進(jìn)入電網(wǎng)。橋式整流電路將輸入交流變換成直流。功率因子校正電路則起改善輸入交流電流波形的作用，確保輸入電流正弦化并與輸入電壓同相位，實現(xiàn)功率因子接近或等于1.逆變電路完成直流高壓向高頻交流的變換，通過燈電路網(wǎng)絡(luò)將輸入功率終傳輸給熒光燈管。燈網(wǎng)絡(luò)除了傳遞電功率之外，還將實施熒光燈燈絲的預(yù)熱、燈管工作狀態(tài)信號的取樣和反饋。燈工作狀態(tài)的反饋信號取自功率因子校正電路和調(diào)光信號，經(jīng)控制電路處理得到正確的逆變電路中開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖。

圖1高性能電子鎮(zhèn)流器的電路結(jié)構(gòu)

2.1功率因子校正電路

系統(tǒng)的功率因子（PowerFactor,PF），定義為

PF=γcosφ1（1）

式中γ=I1/IRMS,是輸入電流的基波有效值與輸入總電流有效值之比，稱電流的失真因子（DistortionFactor,DF），φ1為基波電流與電壓的相移角。

如果系統(tǒng)的輸入電壓與電流無相移（即系統(tǒng)為純電阻性），且無任何諧波分量（即DF=1），該系統(tǒng)的PF必然等于1.遺憾的是，目前絕大多數(shù)電子設(shè)備與工頻電網(wǎng)相接的輸入整流濾波單元都采用不控二極管和大容量電解電容器組成，網(wǎng)側(cè)電流的瞬時值相當(dāng)高（一般約為IRMS的2倍~3倍），持續(xù)時間非常短（通常不超過4ms），呈嚴(yán)重非正弦化特征，故系統(tǒng)的PF遠(yuǎn)低于1.功率因子校正就是針對傳統(tǒng)不控整流電路的弊病，采取相應(yīng)的電路措施，在提高系統(tǒng)DF值的同時，盡量減小輸入基波電流和電壓的相移，終實現(xiàn)PF值等于1的目標(biāo)。圖2所示為電子鎮(zhèn)流器中常用的升壓型有源功率因子校正電路?？刂齐娐芬暂斎腚妷盒盘栕骰鶞?zhǔn)，輸入電流和輸出電壓信號的乘積作調(diào)制源，得到正弦脈寬調(diào)制（SPWM）信號給升壓型DC/DC功率變換電路，以調(diào)節(jié)功率開關(guān)的通、斷時間比，獲得穩(wěn)定的直流高壓。升壓型功率變換電路中的功率開關(guān)器件，由于在控制電路輸出的SPWM信號驅(qū)動下高速通、斷，故可確保流經(jīng)與整流橋相串聯(lián)的電感中的電流波形為正弦波，且與輸入電壓同相，從而得到系統(tǒng)輸入電流的失真因子γ=1和φ1=0,即cosφ1=1,實現(xiàn)系統(tǒng)功率因子為1.

圖2電子鎮(zhèn)流器中的PFC電路

2.2逆變電路

逆變電路是與整流電路（Rectifier）相對應(yīng)，將低電壓變?yōu)楦唠妷?，把直流電變成交流電的電路稱為逆變電路。逆變電路是通用變頻器部件之一，起著非常重要的作用。它的基本作用是在控制電路的控制下將中間直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。將直流電能變換為交流電能的變換電路。可用于構(gòu)成各種交流電源，在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。生產(chǎn)中常見的交流電源是由發(fā)電廠供電的公共電網(wǎng)（中國采用線電壓方均根值為380V,頻率為50Hz供電制）。由公共電網(wǎng)向交流負(fù)載供電是普通的供電方式。但隨著生產(chǎn)的發(fā)展，相當(dāng)多的用電設(shè)備對電源質(zhì)量和參數(shù)有特殊要求，以至難于由公共電網(wǎng)直接供電。為了滿足這些要求，歷史上曾經(jīng)有過電動機(jī)-發(fā)電機(jī)組和離子器件逆變電路。但由于它們的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均不如用電力電子器件（如晶閘管等）組成的逆變電路，因而已經(jīng)或正在被后者所取代。

逆變電路主要的功能是將經(jīng)功率因子校正電路輸出的高壓直流變換為供熒光燈使用的高頻交流。圖3所示為電子鎮(zhèn)流器中常用的電流饋送推挽零電壓開關(guān)（ZeroVoltageSwitching,ZVS）諧振逆變電路及其相關(guān)波形。圖中功率MOSFET推挽管（V1和V2）在占空比為50%的驅(qū)動脈沖驅(qū)動下交替地通、斷，并在功率變壓器初級電感和電容構(gòu)成的并聯(lián)諧振回路中電流過零時換向，實現(xiàn)零電壓開關(guān)（ZVS），對高壓直流實行斬波。零電壓開關(guān)能消除與MOSFET管的輸出電容和寄生電容充電相關(guān)的開關(guān)損耗，而且柵極驅(qū)動電荷，有利于減少柵極的損耗。圖3右側(cè)所示為功率變壓器初級所呈現(xiàn)的電壓和流過的電流波形。由于功率變壓器次級耦合得到的高頻交流是直接饋送至燈路網(wǎng)絡(luò)的，故燈電流（即功率變壓器次級電流）與逆變電路的輸出電流（即功率變壓器初級電流）不存在相移?？紤]到燈網(wǎng)絡(luò)的總阻抗在高頻時會減小，以及熒光燈自身的負(fù)阻特性，可以發(fā)現(xiàn)隨著燈電流的減小（相當(dāng)于燈的光強(qiáng)減弱），逆變電路的輸出電流將會增加。

圖3電流饋送推挽ZVS諧振逆變電路及相關(guān)波形

2.3燈電路網(wǎng)絡(luò)

燈電路網(wǎng)絡(luò)除須將逆變電路輸出的高頻交流功率輸送給燈管，完成電-光的高效轉(zhuǎn)換外，還包括諸如燈絲預(yù)熱、燈電流檢測反饋以及整個電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)的輔助供電源等功能。圖4為實用雙燈管燈電路網(wǎng)絡(luò)的實例。圖中功率變壓器T初級接逆變電路，通過電容直接向燈管輸送燈正常發(fā)光所需的燈電流，次級繞組則向燈管提供預(yù)熱和維持工作的燈絲電流。電流互感器TA執(zhí)行對燈電流的檢測和傳感，通過燈電流的變化隨時將有關(guān)燈工作情況的信號送往控制電路?？刂齐娐房筛鶕?jù)燈電流的大?。ㄉ踔涟艄苊撨B和斷路），判斷燈的發(fā)光強(qiáng)弱，然后向逆變電路發(fā)送相應(yīng)的控制信號。

圖4燈電路網(wǎng)絡(luò)示例

2.4控制電路

高性能電子鎮(zhèn)流器專用的控制電路應(yīng)該具有包括功率因子校正、燈光調(diào)節(jié)、開燈預(yù)熱、燈管斷路警報、燈再起動程序調(diào)控等一系列功能。目前，國內(nèi)外器件市場上出現(xiàn)的一些供電子鎮(zhèn)流器用的集成電路控制器，基本上多是以PFC控制為主，適當(dāng)添加燈路控制功能，或通過外部電路實施燈路控制的產(chǎn)品。相關(guān)產(chǎn)品列于表2,以供參考。值得強(qiáng)調(diào)的是，表2所列產(chǎn)品中，真正稱得上高性能電子鎮(zhèn)流器專用的集成控制器只有美國微線性公司的ML4830/31/32/33系列產(chǎn)品。

3ML4830系列高性能電子鎮(zhèn)流器專用集成控制器

表2電子鎮(zhèn)流器用集成電路控制器產(chǎn)品簡表

制造廠家型號工作模式備注MicroLinearML4830ML4831ML4832ML4833平均電流型，升壓式峰值電流型，升壓式平均電流型，升壓式峰值電流型，升壓式可調(diào)預(yù)熱，燈電流可控MotorolaMC34261MC34262峰值電流型，升壓式峰值電流型，升壓式UnitrodeUC3871ZVS推挽驅(qū)動，降壓式燈開路檢測SiemensTDA4816TDA4817連續(xù)電流，升壓式不連續(xù)電流，升壓式有起動、停止電路單環(huán)控制SiliconGeneralSG3561電壓型，升壓式韓國三星KA7514KA7524峰值電流，升壓式

ML4830/31/32/33是美國微線性公司專為高性能電子鎮(zhèn)流器開發(fā)的集成電路控制器。代產(chǎn)品ML4930已淘汰；第二代產(chǎn)品ML4831系采用雙極型集成電路工藝制造；第三代產(chǎn)品ML4832采用Bicmos工藝替代原先的雙極型工藝，電路偏置