節(jié)能型照明產(chǎn)品電子驅(qū)動線路的研究

劉智超

（通用電氣（中國）研究開發(fā)中心有限公司,上海 201203）

節(jié)能型照明產(chǎn)品電子驅(qū)動線路的研究

劉智超

（通用電氣（中國）研究開發(fā)中心有限公司,上海 201203）

摘要：節(jié)能降耗是各國政府可持續(xù)發(fā)展所面臨的重要問題，我國在《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》中明確提出分階段淘汰普通照明用白熾燈等低效照明產(chǎn)品，推廣新型高效照明產(chǎn)品，大力發(fā)展綠色照明。本文針對近年來的兩種新型光源的驅(qū)動電路進行了分析和研究。對節(jié)能照明產(chǎn)品電子設(shè)計選型有一定參考意義。

關(guān)鍵詞：綠色照明；熒光燈電子鎮(zhèn)流器；LED驅(qū)動電路

“綠色照明”是上世紀90年代初國際上對節(jié)約電能、保護環(huán)境照明系統(tǒng)的形象說法。綠色照明中的典型代表產(chǎn)品是高效熒光燈和半導體（LED），近幾十年里，各國著名高等院校、科研院所、公司都投入了大量資源進行研究和開發(fā)。本文旨在對兩種節(jié)能照明產(chǎn)品的電子驅(qū)動線路做一些分析和討論。

1　高效熒光燈電子鎮(zhèn)流器

熒光燈是氣體放電燈，其使用的鎮(zhèn)流器有兩類：電感式鎮(zhèn)流器和電子式鎮(zhèn)流器。由于電感式鎮(zhèn)流器工作體積大、效率低、有頻閃，對電網(wǎng)諧波污染嚴重，因此逐步被市場淘汰。電子鎮(zhèn)流器采用高頻電子線路，具有無頻閃、效率高、體積小、可調(diào)光等眾多優(yōu)點。

要實現(xiàn)熒光燈的高頻交流驅(qū)動，必須使用電力電子開關(guān)變換電路，下面主要介紹兩類主要的拓撲結(jié)構(gòu)：

1.1電壓型半橋諧振電路

電壓型半橋電路是由上下開關(guān)橋臂，LC串聯(lián)諧振元件，開關(guān)驅(qū)動電路，預熱及保護電路組成。其工作原理是基于LC串聯(lián)電路在不同的供電頻率下有著不同的阻抗特性，控制開關(guān)工作頻率可以實現(xiàn)預熱、點火、鎮(zhèn)流以及變頻調(diào)光。同時，半橋功率管工作在ZVS軟開關(guān)狀態(tài)下，效率高。在啟動時半橋工作在較高頻率狀態(tài)下，燈管電壓較低不能被擊穿，諧振線路可對燈絲預熱；預熱充分后，減小開關(guān)頻率，諧振電容產(chǎn)生很高的電壓擊穿熒光燈管；正常燃點時，控制開關(guān)頻率可以穩(wěn)定燈管電流；如果有調(diào)光需要，則可通過改變開關(guān)頻率控制燈管電流變化。

開關(guān)驅(qū)動信號可以由串聯(lián)于諧振回路的磁環(huán)提供（多用于低成本產(chǎn)品），但這種電路存在以下缺點：預熱功能差，易產(chǎn)生燈絲電極濺射而降低燈絲壽命；磁環(huán)一致性差，批量生產(chǎn)時燈功率偏差較大；一般沒有PFC電路，對電網(wǎng)諧波污染大；保護功能少，當燈負載發(fā)生破裂或者EOL等故障時，易造成電路損壞。

半橋驅(qū)動信號亦可通過專用IC控制產(chǎn)生（多用于高性能產(chǎn)品中）。專用IC有固定的啟動程序，精確地頻率控制，完善的保護機制，有些還集成調(diào)光控制，在性能要求較高的專業(yè)燈具領(lǐng)域廣泛應用。

1.2推挽電路與電流饋電型半橋電路

上述電壓型半橋廣泛用于歐洲與國內(nèi)市場，多燈應用時，燈管串聯(lián)運行。而在北美市場，需要燈管能夠并聯(lián)運行，當某根燈管失效時，其他燈管不受影響。因而推挽和電流饋電型半橋電路應運而生。兩種電路工作原理較為相似，均是通過主耦合電感以及鎮(zhèn)流電容之間的自激諧振驅(qū)動上下橋臂互補導通，使輸出電壓保持高壓，每一個輸出支路由串聯(lián)電容鎮(zhèn)流，保證每個支路可以獨立運行。兩者不同之處是，推挽電路開關(guān)管上的電壓應力是電流型半橋的兩倍，因而只能用于低壓供電線路（120V）。電流饋電型半橋電路需要較多的元器件，但開關(guān)管應力較小，可以應用于寬電壓范圍供電系統(tǒng)中。

近年來，也有學者與公司研發(fā)出新型的電壓型半橋控制電路并同時能滿足多燈并聯(lián)要求。這種電路性能好，效率高，成本適中，有逐步替代原有技術(shù)的趨勢。

2　高亮度白光LED驅(qū)動電路

作為2014年諾貝爾物理學獎的獲得者，高亮度白光LED以其發(fā)光強度大、發(fā)光效率高、節(jié)能環(huán)保、壽命長等優(yōu)點，被認為是人類繼愛迪生發(fā)明白熾燈泡之后最偉大的發(fā)明之一。LED的電氣特性類似一個恒壓器件，因此其驅(qū)動電路的實質(zhì)是提供一個恒流特性的直流源。

LED的驅(qū)動電源大致有如下幾類：

2.1阻容降壓電路

通過串聯(lián)于母線與負載之間的電容和電阻將市電電壓直接降低到適合LED燈串的幅值，整流濾波后給LED供電。由于元器件極少，成本非常低，大量應用于小功率（＜5W）的燈泡產(chǎn)品。阻容降壓缺點也很明顯：受電容容量體積的限制，功率難以做大；功率因數(shù)極低，對電網(wǎng)諧波污染大；電流一致性差。

2.2線性調(diào)整電路

線性調(diào)整電路是通過半導體放大電路實現(xiàn)LED的恒流供電，一般包含電流檢測電路，模擬放大電路，功率調(diào)整管等。其優(yōu)點是LED電流一致性好，電路簡單，同時沒有高頻噪聲，EMI小。但是線性電路中LED燈串的電壓選擇必須接近市電電壓整流后電壓值，否則調(diào)整管損耗較大，極大的限制了系統(tǒng)設(shè)計的靈活度。

2.3PWM開關(guān)電源電路

PWM開關(guān)電源電路轉(zhuǎn)換效率高，易實現(xiàn)高功率因數(shù)、體積小、符合成本效益、可靠性好，是目前應用最廣泛的驅(qū)動設(shè)計方式。用于LED驅(qū)動電路有降壓式，升降壓，反激，半橋等。由于LED一般需要恒流驅(qū)動，系統(tǒng)中必須加入輸出電流反饋控制。近年來各大公司已經(jīng)研發(fā)出通過原邊信號直接計算控制輸出電流的IC，替代以往副邊采樣光耦隔離反饋的復雜方式，系統(tǒng)簡單，恒流精度高，是目前LED驅(qū)動電路的一個熱點研究方向。

PWM驅(qū)動電路更容易實現(xiàn)調(diào)光功能。調(diào)光控制方式主要分為切相調(diào)光和0-10V調(diào)光兩種，前者主要應用于一體式LED燈，后者則主要應用于獨立式LED驅(qū)動器。

3　結(jié)論

新型光源的誕生促進了綠色照明系統(tǒng)的飛速發(fā)展，本文對兩種高效節(jié)能照明光源的驅(qū)動電路進行了分類的論述，從基本原理到實際應用上做出了分析，并且對設(shè)計方案的選擇上提供了優(yōu)劣對比。

參考文獻：

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[3]陳傳虞.電子節(jié)能燈與電子鎮(zhèn)流器的原理和制造[M].人民郵電出版社,2004.

作者簡介：劉智超（1980—）男，湖北人，碩士，研究方向：電力電子技術(shù)。