用在熒光照明中的功率電子器件

　　為了降耗節能，用熒光燈、LED或HID替代白熾燈的工作正在全世界范圍內進(jìn)行，并取得了巨大進(jìn)展。舉例來(lái)說(shuō)，電子變壓器已用來(lái)驅動(dòng)低電壓鹵素燈，用于熒光燈的磁性鎮流器已經(jīng)被電子鎮流器所取代，而LED已經(jīng)使用高效的開(kāi)關(guān)電源。其中，替換50/60Hz鐵芯變壓器或鎮流器的主要原因是為了提升效率。不過(guò)，新型電子鎮流器雖能帶來(lái)更高的性能和更小的質(zhì)量或體積，但價(jià)格仍偏貴。然而，取決于具體應用，特別是考慮到電子鎮流器能降低能耗的時(shí)候，用其取代磁性鎮流器的投資回報時(shí)間就不會(huì )超過(guò)一年。

　　對熒光燈照明和電子鎮流器的封閉檢查

　　經(jīng)典的磁性鎮流器和啟輝器能完滿(mǎn)執行熒光燈的工作要求（見(jiàn)圖1）。最初，起輝器S1關(guān)閉，電流流經(jīng)電感L1和燈絲FL。當起輝器經(jīng)一段時(shí)間啟動(dòng)后，燈絲已處于高溫狀態(tài)，電流的急劇變化會(huì )導致電感產(chǎn)生高電壓并通過(guò)燈泡。當燈被點(diǎn)亮后，電感的感抗就會(huì )限制放電電流。

　　圖1 磁性鎮流器原理

　　磁性鎮流器的缺點(diǎn)

　　這個(gè)簡(jiǎn)單鎮流器的一些缺點(diǎn)是明顯的，而另一些則不是。首先，啟輝器會(huì )在線(xiàn)電壓零交叉時(shí)啟動(dòng)。此時(shí)的電流比較小，啟動(dòng)電壓也是如此，燈泡也許不會(huì )啟動(dòng)。整個(gè)系統效率較低，而這要歸結于兩個(gè)原因。首先是價(jià)格的風(fēng)險，電感自身的高損耗是公認的。第二是離子在線(xiàn)電壓零交叉時(shí)要重新結合，而在下個(gè)半周期中又要被離子化，后面的行為會(huì )導致可觀(guān)的能量損失。

　　電子鎮流器的優(yōu)點(diǎn)

　　電子鎮流器的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是其有很高的頻率（一般為30～60kHz）。由于此高頻率，離子的重組合不會(huì )發(fā)生，燈泡的效率會(huì )增加10%（相比于工作在50/60Hz時(shí)）。此外，電子鎮流器本身的設計效率要高于90%，當同FL一起工作時(shí)，能輕易節省30%的能量。

　　在歐洲最流行的FL鎮流器拓撲是電壓饋電系列共振半橋（見(jiàn)圖2）。

　　圖2 FL鎮流器的結構框圖

　　半橋能被不同的頻率驅動(dòng)，占空比約為50%。在啟動(dòng)階段，只要FL不被點(diǎn)燃，鎮流器控制器就會(huì )產(chǎn)生高于L1/C1的共振頻率。于是，大電流流經(jīng)燈絲將其加熱到預期的溫度。當經(jīng)過(guò)一段決定于外部元件的時(shí)間后，控制器開(kāi)始降低工作頻率以達共振。其結果，通過(guò)燈泡的高電壓產(chǎn)生了，燈泡被點(diǎn)亮。點(diǎn)亮后，FL的阻抗會(huì )對共振電路進(jìn)行抑制，使燈泡上的電壓接近工作電壓。在許多應用中，燈泡電流被直接或間接地感應到，工作頻率會(huì )被調整到預置點(diǎn)。而只要工作頻率超過(guò)L1/C1的共振頻率，MOSFET就會(huì )進(jìn)行軟開(kāi)關(guān)，在EMI被降低的同時(shí)，開(kāi)關(guān)損失可忽略不計。

　　帶有快速恢復二極管的MOSFET會(huì )非常適合如圖1那樣的應用。集成快速恢復體二極管的500V和600V Q-FETTM，以及600V SuperFETTM都屬這種類(lèi)型。因為上部MOSFET的柵極需要高電壓驅動(dòng)，所以高壓側的柵極驅動(dòng)是必須的。高電壓驅動(dòng)器芯片，像飛兆公司的FAN7380、FAN7383、FAN7384以及FAN7382都符合這些要求并具有很好噪聲免疫能力。此外，還有具備安全和控制功能的純鎮流器驅動(dòng)器FAN7544和集成高壓柵級驅動(dòng)的控制器FAN7532。

　　功率因數校正

　　按照電流國際標準要求，如果照明設備的功率超過(guò)25W，就必須使用功率因數校正。這里有兩個(gè)原因：一個(gè)是白熾燈泡的特性像一個(gè)電阻，也就是說(shuō)電壓和電阻是同相的。二是照明只消耗了總功率的10%～12%，一天要工作幾小時(shí)，相比于其他設備是相當長(cháng)了。因此，如果照明電器沒(méi)有進(jìn)行功率因數校正，就會(huì )導致電源網(wǎng)絡(luò )上的大量額外損失。

　　因為多數設備的總功耗都在150W以下，所以臨界模式PFC是最經(jīng)濟的解決方案。在這個(gè)模式下，通過(guò)控制電感的峰值電流，電流峰值就能同整流后的輸入電壓成比例。在空閑時(shí)間，電感電流回落到零，也就是電感的退磁會(huì )啟動(dòng)下個(gè)開(kāi)關(guān)周期。很容易看到電感的平均電流同輸入電壓成比例，這就是預期的結果。這里還有兩種不同的方法來(lái)控制電感的峰值電流。在FAN7527的電流模式下，整流后的線(xiàn)電壓會(huì )感應出參考電流，其能設定峰值電流的實(shí)際值。而在FAN7529的電壓或恒定工作時(shí)間模式下，開(kāi)關(guān)設備的工作時(shí)間在一個(gè)或多個(gè)線(xiàn)性半周期中是保持恒定的。保持工作時(shí)間恒定，峰值開(kāi)關(guān)電流又再次同輸入電壓成比例，并能從基本的微分式dI/dt =V/L中解出來(lái)。這兩種模式的共同點(diǎn)是輸出電壓的感應和穩壓。

　　圖3 轉換模式PFC的電壓模式控制應用框圖

　　低價(jià)鎮流器有多種PFC拓撲，或用高感抗的鐵芯扼流圈平滑輸入電流，或棄用功率開(kāi)關(guān)和控制器IC而使用電荷泵PFC。在這種拓撲中，半橋結構用來(lái)驅動(dòng)熒光燈和PFC（見(jiàn)圖4）。因為燈泡的電源必須穩壓，且沒(méi)有額外的度數用來(lái)控制PFC，所以很難找到合適的L和C來(lái)形成良好的功率因數并將燈泡穩定在很寬的輸入電壓范圍內。這就是為什么這種解決方案很便宜，卻很少使用的緣故。

　　電子鎮流器的另一個(gè)特點(diǎn)是能“完美”地預熱燈絲，使得燈泡的壽命完全不會(huì )依賴(lài)開(kāi)關(guān)周期的次數，并能不閃爍地啟動(dòng)和工作，在不同輸入電壓下保持恒定亮度和具有高功率因子。最后，對應急照明尤其重要的是，電子鎮流器能工作在直流輸入電壓下，即可采用電池供電。

　　圖4 帶電荷泵PFC的自振蕩鎮流器

　　燈壽終（EOL）探測

　　在氣體放電中，有個(gè)接近陰極的區域，放電電壓在此處下降很快，且沒(méi)有光發(fā)出，因此被叫做“陰極勢降”。根據電壓降和電流，這個(gè)區域會(huì )產(chǎn)生相當的功率耗散。隨著(zhù)燈泡工作時(shí)間的增加，燈絲的發(fā)光性會(huì )變差，而陰極勢降也會(huì )增加。結果，接近陰極的功率耗散增大，這個(gè)區域也就會(huì )變得越來(lái)越熱。如果燈管的直徑很小，它就很容易被加熱到熔點(diǎn)。因此，燈管越細，對一種叫EOL特性的檢測就變得越來(lái)越重要。尤其是對于T5，這個(gè)特性是必不可缺的，它已被包含在用于熒光照明的歐洲安全標準中。

　　通常情況下，FL是在交流模式下工作的，每個(gè)燈絲會(huì )有50%的時(shí)間成為陰極。幸運的是，兩個(gè)燈絲中的一個(gè)會(huì )首先喪失發(fā)射率，燈泡因而變得不均勻。這樣，監控整個(gè)燈泡的電壓或工作電壓/電流的對稱(chēng)性就有可能探測到EOL。

　　緊湊型熒光燈（CFL）的封閉性檢查

　　CFL包含了一個(gè)集成在燈泡中的電子鎮流器。因為替代了白熾燈泡，當FL有缺陷時(shí)這些鎮流器就會(huì )被丟棄。這就是為什么一個(gè)CFL的電子器件不必要有FL鎮流器那樣長(cháng)的壽命。此外，因為空間受限且PFC被棄用，功率也會(huì )受限?？傊?，雖然有同樣的基本結構，CFL卻使用了與FL鎮流器有少許不同的逆變器電路。通常，多數CFL使用一個(gè)自振蕩半橋來(lái)替代控制IC（見(jiàn)圖5）。

　　圖5 典型自振蕩CFL鎮流器

　　新的控制器像FAN7711和集成了功率MOSFET的高電壓柵級驅動(dòng)器FAN7710有助于簡(jiǎn)化CFL的設計，特別是設計者希望用新的集成控制器來(lái)獲得額外的性能和安全特性時(shí)。

　　圖6 FAN7710的典型應用

　　結語(yǔ)

　　全世界對提高照明產(chǎn)品功效的持續關(guān)注推動(dòng)了在照明應用中使用更多的高效解決方案。具體表現就是在照明設計中逐步增加對電子器件的使用，而半導體供應商在這一過(guò)程中將扮演非常重要的角色。