無(wú)極燈鎮流器介紹

引言

無(wú)極燈是Promise Light（electrodeless lamp）高頻電磁等離子體放電燈的簡(jiǎn)稱(chēng)，由燈泡/管、耦合器（內外置）、電子鎮流器（高、低頻）三部分組成。鎮流器起電頻轉換和驅動(dòng)作用，耦合器（電磁轉換）與燈泡/管是鎮流器的負載。這類(lèi)燈的壽命非常長(cháng)，可達到6-10 萬(wàn)小時(shí)以上。

　　無(wú)極燈鎮流器是將85V～265V 50Hz/60Hz 的電網(wǎng)電能高可靠、高效率地轉換為驅動(dòng)燈泡/管所需的高頻（180-250KHz；2-3MHz）交流形式電能。燈泡/管的特性決定了整個(gè)系統的壽命主要取決于高頻電子鎮流器高可靠、高穩定的運行壽命的技術(shù)、材料保證。

　　1 無(wú)極燈的燈泡/管特性

　　1.1 負阻特性

　　即燈管等效阻抗隨溫度T 的上升，阻抗呈下降狀態(tài)，若鎮流器無(wú)限流功能，燈管功率將不斷上升直至電路或燈管損壞。

　　1.2 啟動(dòng)特性

　　啟動(dòng)時(shí)需高達數千伏特的電壓和足夠的功率，才能使燈管氣體由高阻狀態(tài)進(jìn)入工作時(shí)的額定等效阻抗（從電特性對燈管工作的分析）。

　　1.3 溫度特性

　　即環(huán)境溫度的不同，使燈管的初始等效阻抗值相差巨大，這一特征對燈管在低溫下啟動(dòng)有明顯影響。

　　2 燈泡/管和驅動(dòng)供電

　　與普通日光燈管/HID 的方法一樣，負載與電源之間串接一只電感器，該電感器即鎮流器電感或則叫扼流電感，電感器穩定負載電流的原理是一種負反饋調節，普通工頻情況下，為達到鎮流器所需的電感量，其體積大，重量重，為減小體積和重量，則要提高工作頻率，因而引入了變頻器，這就是節能燈、無(wú)極燈電子鎮流器。因變頻以及提高功率因數又帶來(lái)了電磁干擾問(wèn)題，又不得不增加電路來(lái)解決電磁干擾，為實(shí)現鎮流，把電路搞得復雜與龐大。

　　啟動(dòng)問(wèn)題，普通日光燈/HID 的啟動(dòng)是利用鎮流器電感反向沖擊電壓與電源電壓疊加實(shí)現高壓?jiǎn)?dòng)。無(wú)極燈電子鎮流器則利用諧振原理產(chǎn)生高壓實(shí)現啟動(dòng)。

　　啟動(dòng)時(shí)除了高壓要求之外，另一個(gè)重要參數即功率，只有啟動(dòng)電流達到燈泡/管啟動(dòng)功率要求，方可有效啟動(dòng)燈泡/管。

　　燈泡/管的第三個(gè)特征，就是因溫度下降，燈管初始等效阻抗大幅提高，使得在相同諧振電壓情況下，啟動(dòng)電流相對減少，影響燈管的啟動(dòng)，造成啟動(dòng)困難。

　　此外，無(wú)極燈與燈具的恰當配合保證良好的散熱效果，也是充分發(fā)揮無(wú)極燈優(yōu)良性能的一個(gè)很重要的部分。

　　3 無(wú)極燈鎮流器技術(shù)重點(diǎn)研究問(wèn)題

　　3.1 節能效率

　　變頻過(guò)程中的效率問(wèn)題鎮流器效率的高低，直接影響無(wú)極燈是否高效節能。

　　在研究解決效率問(wèn)題中，本人認為，在保障電路正常、安全工作的原則下，設計電路時(shí)：一是要盡可能減化電路；二是要系統所有參數以最優(yōu)為目標（杜絕短板效應）、并以降耗為第一原則，成本考慮放在其次。

　　鎮流電路中的元件都是物理元件，只要工作必然產(chǎn)生損耗，而不同的元件其產(chǎn)生損耗的性質(zhì)是不一樣的，可分為兩類(lèi)：一類(lèi)為固定損耗類(lèi)，例如二極管、電阻、導線(xiàn)等。此類(lèi)元件的參數設計簡(jiǎn)單，只需根據電路原理、功率、耐壓等一些基本參數要求，精選元件就能實(shí)現最低能量損耗的電路設計。第二類(lèi)為可變損耗類(lèi)，如場(chǎng)效應管（三極管）、電容、電感，此類(lèi)元件的參數設計是降耗的關(guān)鍵，設計得好功耗低、設計不好功耗大幅上升。設計中不僅要考慮單個(gè)元件的參數，而且要考慮電路的整體優(yōu)化，是一項系統性很強的工作。

　　使用場(chǎng)效應管作開(kāi)關(guān)管時(shí)，驅動(dòng)性能是影響場(chǎng)管功耗的重要原因，通常會(huì )設計一些電路來(lái)保證驅動(dòng)波形的上升速率和下降速率，使波形陡峭。例如開(kāi)通時(shí)的加速電路、關(guān)閉時(shí)抽取貯存電荷等等。測試部分廠(chǎng)家的產(chǎn)品，發(fā)現這樣一種現象，有的鎮流器波形雖好，但功耗仍較大、場(chǎng)管溫度也較高，時(shí)有燒管現象；有的產(chǎn)品波形雖一般，功耗并非想像中那麼差、溫度也不很高，故障現象也不明顯。如果只從驅動(dòng)上分析，解釋不通這種現象。但把驅動(dòng)、電路、負載特性、電源供電、結合電路一起作理論分析，即系統參數優(yōu)化（杜絕短板效應），就證明這種現象存在的合理性。

　　在設計、生產(chǎn)鎮流器時(shí)是按優(yōu)化電路模型計算、調整各個(gè)部分的參數，使產(chǎn)品自身功耗下降、而可靠性、穩定性就得以提高。

　　一般只考慮了電路功能的需要，而較少在降耗上下功夫。這些元件在理論狀態(tài)下只進(jìn)行能量交換而耗能不多，但由于實(shí)際上參數設計、材料選取、制作工藝的區別，最終出現耗能相差甚遠，而這正是大功率無(wú)極燈鎮流器設計生產(chǎn)中值得所有廠(chǎng)家深入研究的一環(huán)。

　　3.2 諧波干擾

　　電磁兼容與諧波抑制問(wèn)題除了基波外，包含各種畸變的輸入電流還含有很豐富的高次諧波分量，這些過(guò)高的諧波分量會(huì )對公共電網(wǎng)造成嚴重影響，從而形成諧波干擾。這種周期性尖脈沖電流更窄，會(huì )使直流脈動(dòng)電壓起伏變大，使燈電流的波峰系數變大，對燈泡/管極為不利。同樣，燈的光通量起伏也加大，對人的視力造成較大損害。直流脈動(dòng)電壓起伏變大也會(huì )使得開(kāi)關(guān)管不能處于最佳工作狀態(tài)，容易發(fā)熱而導致?lián)p壞，鎮流器的使用壽命將大大縮短，得不償失。

　　抑制諧波的改進(jìn)措施就是盡可能提高其功率因數，減小輸入電流的諧波失真。要達到這個(gè)目的，就必須提高整流管的導通率（即延長(cháng)輸入電流的導通時(shí)間），使得電源電流的波形接近電壓的正弦波，減小電流的波形失真；同時(shí)又要保證電源濾波電容能平滑地向負載連續供電（即減小輸入電流與輸入電壓間的相位差）。

　　這就是通常所說(shuō)的功率因數校正電路工作原理。功率校正電路分無(wú)源校正（PPFC）和有源校正（APFC）。目前，小功率一體化無(wú)極燈電子鎮流產(chǎn)品限于成本價(jià)格因素，大都采用改進(jìn)型逐流電路組成的無(wú)源諧波抑制電路。這種技術(shù)發(fā)展得比較成熟，只要調試得當，鎮流器的諧波含量基本可以得到有效的抑制，功率因數可達到0.85-0.90。但這種電路存在調試難度高，在大量生產(chǎn)時(shí)難以控制產(chǎn)品質(zhì)量的問(wèn)題，而且基本上無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足電磁兼容標準和性能標準要求。而有源校正則是采用三極管等分立有源器件組成的諧波抑制電路，或采用專(zhuān)用集成電路的諧波抑制電路，功率因數一般都可達到0.95-0.99 以上。而且后者調試要比前者簡(jiǎn)單，可靠性更高。

　　無(wú)極燈EMC 干擾主要是輻射干擾和傳導干擾兩部分，輻射干擾指向空間發(fā)射電磁波，也叫射頻干擾，傳導干擾指對電網(wǎng)的干擾；其主要來(lái)源于功率因數校正、變頻輸出、電路耦合等幾個(gè)地方。由于無(wú)極燈工作頻率極高，輸出功率大，功率管在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的硬開(kāi)關(guān)特性會(huì )產(chǎn)生大量的奇次諧波與偶次諧波干擾，相對來(lái)講變頻輸出（鎮流器工作頻率）的干擾占大部分，在EMC 檢測中體現出來(lái)的就是工作頻率與它的倍數頻率附近的干擾明顯增大，隨著(zhù)鎮流器功率的增大，干擾強度增大，針對這個(gè)問(wèn)題必須從輸入級的濾波電路、功率因數校正電路、諧振電路上做出相應的處理。高頻電路的PCB 設計和工藝、結構對EMC 至關(guān)重要，重要元器件的位置、走線(xiàn)、接地、散熱等都要認真分析，慎重放置。在經(jīng)過(guò)對電子鎮流器進(jìn)行傳導、輻射測試的大量數據分析后知道，電子鎮流器產(chǎn)品所產(chǎn)生的電磁干擾中，在9~150KHz 頻率范圍主要以差模干擾為主；150KHz~30MHz 頻率范圍主要以是共模干擾為主。找到干擾源，又知道其產(chǎn)生干擾原因，只需采取相應措施加以抑制其干擾，使通過(guò)該條款的考核并非難事。

　　除了在鎮流器的輸入端（電源端）加串ＥＭＩ濾波器外，還可以在鎮流器產(chǎn)生干擾的部件上下功夫。從前面的分析知道，開(kāi)關(guān)管在其導通和斷開(kāi)瞬間會(huì )產(chǎn)生幅度較高的脈沖電壓或電流，只要把這個(gè)脈沖電壓或電流消除或減弱即可降低鎮流器的干擾電壓?？煞謩e在開(kāi)關(guān)管基極和發(fā)射極之間并一個(gè)瓷片電容，降低晶體管的深飽和，有助于降低脈沖電壓的幅度，而且還可防止開(kāi)關(guān)管的共態(tài)導通，不致于損壞開(kāi)關(guān)管；或在開(kāi)關(guān)管集電極和發(fā)射極之間加入阻尼網(wǎng)絡(luò )（Ｄ、Ｒ、Ｃ），以吸收其通斷間產(chǎn)生的浪涌電流，對開(kāi)關(guān)管起保護作用，并能有效降低干擾強度。

　　3.3 工作頻率

　　諧振電路的參數設計諧振電路由鎮流電感、耦合電感、諧振電容等構成，在通電時(shí)產(chǎn)生諧振電壓，燈亮后鎮流電感與耦合器構成穩定的電壓分配關(guān)系。在電路設計中要考慮的因素有工作頻率、諧振頻率、功率控制、諧振電壓等參數在合理的范圍內。

　　無(wú)極燈鎮流器的工作頻率，目前有2.65MHz（自激震蕩驅動(dòng)）與250KHz（它激震蕩驅動(dòng)）兩種，一般為固定頻率。當頻率、燈泡/管功率確定后由燈泡/管功率向前反推設計參數。設計諧振參數時(shí)，可設燈管為開(kāi)路狀態(tài)，鎮流器電感、耦合器電感、電容形成一串并聯(lián)（LCC）電路。其中f0 為諧振頻率，L1 為鎮流電感，L2 為耦合電感，C2 為諧振電容。通常取L1，L2 基本相等，根據燈管功率、燈管溫度等，耦合器線(xiàn)徑、匝數、磁環(huán)參數、電感量即可確定。耦合器與燈泡/管相似變壓器關(guān)系，其初級為耦合器，次級為燈泡/管，次級電流將改變初級電感量，使諧振電路參數發(fā)生改變，f0 偏移，鎮流器則以恒定頻率工作在感性負載狀態(tài)（即輸出頻率略高于驅動(dòng)頻率）。鎮流電感的負反饋的作用可調節燈泡/管功率。適當提高諧振電壓和反饋電壓幅度，以利于在低溫啟動(dòng)時(shí)留有充足的余量。

　　4 異常情況保護

　　異常情況下的保護無(wú)極燈的異常情況保護主要有幾方面：高溫保護、過(guò)電壓保護、工作中保護、啟動(dòng)保護。

　　由于無(wú)極燈電子鎮流器為電子元器件，鎮流器長(cháng)時(shí)間在超過(guò)70 度以上工作時(shí)，容性元件的使用壽命會(huì )大大降低，故而在工作中必須設置高溫保護電路來(lái)保證鎮流器的壽命與穩定性。

　　在雷擊等異常情況下，電網(wǎng)供電電壓會(huì )產(chǎn)生極短時(shí)間的高壓浪涌，若沒(méi)有有效的電路把這種瞬間的能量導出電路以外，會(huì )對鎮流器產(chǎn)生永久性的破壞，根據浪涌等級的不同，需要設置不同強度的保護電路。

　　工作中保護是指在燈管正常點(diǎn)亮之后，在管殼破裂、漏氣、功率激增的異常情況的保護，這種異常情況下，若保護電路反應時(shí)間過(guò)長(cháng)或者沒(méi)有保護的話(huà)，鎮流器會(huì )在極短時(shí)間之內損壞。

　　啟動(dòng)保護是指燈管因漏氣、低溫等情況下點(diǎn)火失敗時(shí)，電路處于容性或弱感性狀態(tài)下時(shí)對電路的保護，這種保護十分關(guān)鍵，大多數無(wú)極燈的損壞由于這一現象引起，這種情況下跟據不同的情況須采取多重保護的辦法。

　　無(wú)極燈的異常保護一般分非鎖定和鎖定兩種方式；非鎖定方式在保護過(guò)程中，開(kāi)關(guān)管仍然處于工作狀態(tài)，保護狀態(tài)不斷啟動(dòng)，如保護狀態(tài)時(shí)間較長(cháng)，容易造成功率開(kāi)關(guān)管或保護開(kāi)關(guān)管的損壞。鎖定方式的開(kāi)關(guān)管在保護過(guò)程是不工作的，電路支持保護狀態(tài)一定的時(shí)間（國標要求大于50 秒），重啟電源開(kāi)關(guān)工作。

　　5 結語(yǔ)

　　分析無(wú)極燈的這幾個(gè)環(huán)節，可見(jiàn)無(wú)極燈鎮流器要解決的技術(shù)問(wèn)題為：變頻、高轉換效率、EMC 濾波、諧振電路設計、異常情況下的保護等幾個(gè)部分。