電子鎮(zhèn)流器諧振回路的設(shè)計(jì)

鄒學(xué)軍，鞠耀武，曲 楊，金小明，尤曉波

（賽爾富電子有限公司，浙江 寧波 315103）

0 引 言

電子鎮(zhèn)流器具有噪聲小、啟動(dòng)快、無頻閃以及效率高等特點(diǎn)，再加上其重量輕、耗材少，比傳統(tǒng)的工頻鎮(zhèn)流器更有競爭優(yōu)勢。高性能的電子鎮(zhèn)流器通常由前級電路和后級電路組成，前級采用通用的有源功率因數(shù)糾正（Active Power Factor Correction，APFC）技術(shù)提高功率因數(shù)，滿足線路諧波要求，同時(shí)為后級變換提供比較穩(wěn)定的400 V直流工作電壓[1]。通常情況下，后級包括直流-交流逆變電路和諧振電路[2]。電子鎮(zhèn)流器的工作狀態(tài)直接決定熒光燈的工作狀態(tài)，而熒光燈在不同工作狀態(tài)下的等效電路模型也不相同，對電子鎮(zhèn)流器的逆變電路和諧振電路進(jìn)行理論分析與計(jì)算具有重要意義。

1 設(shè)計(jì)過程

鎮(zhèn)流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種，常用的是半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 鎮(zhèn)流器半橋逆變電路

其中，UDC是由前級功率因數(shù)校正電路提供的直流電壓。經(jīng)過開關(guān)管S1、S2輪流導(dǎo)通形成占空比約為50%的高頻方波電壓，向由諧振電感L、諧振電容C以及燈管組成的并聯(lián)諧振回路提供高頻交流電能。Cb為隔直電容，在諧振回路設(shè)計(jì)中可以忽略不計(jì)。諧振電路等效電路如圖2所示。

圖2 電子鎮(zhèn)流器諧振等效電路

（1）由方波基波電壓U1和燈電流IL確定諧振電感的感抗ZL，其大小等于方波電壓的基波有效值和燈電流有效值的比值。熒光燈管在高頻（通常為20～100 kHz）下工作時(shí)，每一個(gè)高頻周期內(nèi)流過燈管的電流和燈管兩端的電壓相位相同，電流的大小和電壓的大小成正比，具有純電阻的伏安特性。使用一個(gè)大功率電阻來模擬正常工作的燈管，電阻的大小等于燈管兩端電壓與流過燈管電流的比值。根據(jù)雙端熒光燈管規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，14 W、21 W、28 W以及35 W的T5燈管額定工作電流均為170 mA，但額定電壓不同[3-5]。根據(jù)歐姆定律，計(jì)算得出4種燈管的等效電阻值分別為500 Ω、725 Ω、950 Ω、1 200 Ω。將等效電阻與諧振電容并聯(lián)，電子鎮(zhèn)流器的工作頻率和匹配回路的諧振頻率相同時(shí)，輸出電流保持恒定，與負(fù)載阻抗無關(guān)。由于諧振回路的存在，只有基波的能量傳遞到燈管上，因此電子鎮(zhèn)流器諧振等效電路需要考慮基波分量[6]。根據(jù)傅里葉級數(shù)分解可以得到基波有效值為

將半橋逆變器產(chǎn)生的占空比δ=50%、UDC=400 V代入式（1），可以計(jì)算得到基波有效值U1≈180 V。

在諧振等效電路中，根據(jù)歐姆定律得到流過諧振電感的電流IL為

式中：L為諧振電感的電感量；C為諧振電容容量；R為熒光燈管等效電阻的阻值；ω為鎮(zhèn)流器的工作角頻率。

流過熒光燈管的電流IR為

當(dāng)鎮(zhèn)流器的工作頻率和LC回路的諧振頻率相同時(shí)，ω2LC=1，則：

從式（4）可以看出，當(dāng)鎮(zhèn)流器的工作頻率和LC回路的諧振頻率相同時(shí)，流過燈管的電流和燈管的等效電阻的大小無關(guān)。在圖2中，流過諧振電感的電流是流過燈管（等效電阻）和流過諧振電容的電流的矢量和。當(dāng)鎮(zhèn)流器輸出接線端短路時(shí)，即R=0，流過諧振電容的電流為0，流過電感的電流和流過R的電流相同。由式（4）可得，諧振電感的感抗ZL=180 V/0.17 A≈1 058 Ω。諧振電容的容抗ZC和諧振電感的感抗相同，也為1 058 Ω。也就是說，當(dāng)鎮(zhèn)流器輸出接線端短路，流過電感的電流仍是0.17 A，鎮(zhèn)流器并不會(huì)因短路而電流過大損壞。

（2）電子鎮(zhèn)流器的工作頻率設(shè)定。因?yàn)槿硕苈牭降念l率為20 Hz～20 kHz，所以電子鎮(zhèn)流器的工作頻率應(yīng)大于20 kHz。38 kHz頻率又可能會(huì)對常用的紅外遙控形成干擾，頻率超過100 kHz的半導(dǎo)體開關(guān)器件價(jià)格會(huì)上升。綜合考慮以上各種因素，將鎮(zhèn)流器的工作頻率設(shè)定在44 kHz。鎮(zhèn)流器頻率設(shè)定后，可求出工作角頻率ω=2πf=276 460 rad/s，該工作頻率可以由高精度的定時(shí)電容、電阻以及相應(yīng)的控制芯片實(shí)現(xiàn)。

（3）確定諧振回路的參數(shù)。電容的選擇相對簡單，選用高頻低損耗的金屬化聚丙烯膜電容，考慮到在燈管擊穿時(shí)需要承受很高的電壓，額定電壓為1 600 V。諧振電感為非標(biāo)器件，其設(shè)計(jì)需要考慮的因素較多。在不同燈管負(fù)載下，燈管的燈電壓明顯不同。由于諧振電容同燈管并聯(lián)，因此諧振電容上的電壓和燈管上的電壓相同，流過諧振電容上電流跟并聯(lián)的燈管電壓成正比增大。燈電流的相位和燈電壓的相位類似，由于諧振電容上的電流相位比電壓超前90°，因此燈電流和諧振電容上的電流相差90°，流過諧振電感上的電流為燈電流和諧振電容電流的矢量和。流過電感的電流的有效值為

在燈管型號確定后，燈管電流和燈管電壓就隨之確定。諧振電感上的電流接近于正弦波，其峰值電流為有效值的1.414倍。諧振電感的發(fā)熱由電感的銅損和鐵損兩部分組成，銅損和流過電感的電流有效值的平方成正比。電感通常取電流密度為5 A/mm2，可以在較高的溫度下可靠工作?？紤]到高頻下的趨膚效應(yīng)，采用直徑為0.16 mm的3股漆包線繞180匝，環(huán)境溫度為50 ℃的情況下測得線圈表面溫度為94 ℃，設(shè)計(jì)具有可行性。磁芯的鐵損主要由兩部分組成，即渦流損耗和磁滯損耗。在44 kHz的工作頻率下，主要產(chǎn)生的是磁滯損耗，需要設(shè)定合適的最大工作磁感應(yīng)強(qiáng)度來降低磁芯的損耗。為了降低電子鎮(zhèn)流器的外殼高度，選用EFD20磁芯，其有效面積為28.8 mm2。在接35 W的燈負(fù)載時(shí)，輸出功率最大，同時(shí)流過諧振電感的電流的有效值也最大，此時(shí)電感電流的最大值為0.36 A。

2 實(shí)際產(chǎn)品驗(yàn)證

將輸出電流為0.17 A的電子鎮(zhèn)流器接不同功率的T5燈管，實(shí)際測得的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

表1 電子鎮(zhèn)流器接不同規(guī)格T5燈管的測試數(shù)據(jù)

根據(jù)表1，所設(shè)計(jì)的電子鎮(zhèn)流器在接不同規(guī)格的T5燈管時(shí)，輸出電流的偏差在10 mA以內(nèi)，具有良好的電流恒輸出特性。

3 結(jié) 論

電子鎮(zhèn)流器的工作頻率和諧振回路相同時(shí)，在相同的輸入電壓下，不同功率的熒光燈管能得到相同的電流。在諧振點(diǎn)工作的電子鎮(zhèn)流器具有恒流輸出的特性，在查到燈管的電流參數(shù)的情況下，按照本文的方法可以快速設(shè)計(jì)與之匹配的諧振回路，縮短產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間。