一種數(shù)字化單級電子鎮(zhèn)流器的研究與設(shè)計

1、第44卷第3期2010年3月電力電子技術(shù)PowerElectronicsVol.44，No.3March2010一種數(shù)字化單級電子鎮(zhèn)流器的研究與設(shè)計張淑華，黎英，涂強，張科帆650091）（云南大學(xué)，云南昆明摘要：由于傳統(tǒng)的雙級電子鎮(zhèn)流器線路較為復(fù)雜，成本也高，在推廣使用中受到了一定的限制。設(shè)計一種體積小，成本低，高效節(jié)能的電子鎮(zhèn)流器是目前“綠色照明”技術(shù)的一個發(fā)展方向。在系統(tǒng)分析了傳統(tǒng)雙級電子鎮(zhèn)流器結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上,提出一種數(shù)字化單級電子鎮(zhèn)流器方案，采用單級方式同時控制鎮(zhèn)流器輸入功率因數(shù)校正和逆變輸出。這樣在保證可靠性和穩(wěn)定性的前提下，可以降低鎮(zhèn)流器的成本，同時為實現(xiàn)數(shù)字化照明控制奠定了基礎(chǔ)

2、。關(guān)鍵詞：電子鎮(zhèn)流器；功率因數(shù)校正；數(shù)字控制中圖分類號：TM923.61文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000-100X（2010）03-0025-03ResearchandDesignonaDigitalSingle-stageElectronicBallastZHANGShu-hua，LIYing，TUQiang，ZHANGKe-fan（YunnanUniversity，Kunming650091，China）Abstract：Sincetraditionaldouble-stageelectronicballastshavemorecomplexcircuitsandhighercosts，t

3、hepopularizationoftheseballastsarelimited.Thedesignofanelectronicballastwithsmallsize，lowcostandhighluminousefficiencyisadevelopmenttendencyofthegreenlightingtechnologies.Thispaperpresentsonedouble-stageelectronicballasttopologyandonesingle-stageelectronicballasttopology.Basedonthestructureanalyseso

4、ftraditionaldouble-stageelectronicbal-lasts，thispaperpresentsasingle-stageelectronicballastscheme，whichintegratescontrolsforbothpowerfactorcorrectionandlampsupplyathighfrequency.Asaresult，thecostofanelectronicballastcouldbereducedtogetherwithitshighre-liabilityandstability.Moreover，theballastisabase

5、ofdigitallightingcontrol.Keywords：electronicballast；powerfactorcorrection；digitalcontrol1引言圖1電子鎮(zhèn)流器框圖目前，我國市場上的電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)品檔次低，而高檔次的產(chǎn)品幾乎都是雙級結(jié)構(gòu)。這種鎮(zhèn)流器輸入級和輸出級完全獨立，雖然控制原理簡單，但鎮(zhèn)流器需要對輸入、輸出兩級都進(jìn)行控制。對于小功率的熒光燈鎮(zhèn)流器而言，線路較為復(fù)雜，成本也高，在使用推廣中受到了限制1-3。為解決這一缺陷，將輸入、輸出兩級合并為一級，采用單級的方式同時控制功率因數(shù)校正和逆變輸出，從而降低了鎮(zhèn)流器的成本。雖然這種單級電子鎮(zhèn)流器設(shè)計復(fù)雜，輸出功

6、率也難以穩(wěn)定，但復(fù)雜的控制過程可由低成本的圖2雙級電子鎮(zhèn)流器圖2示出所采用的雙級電子鎮(zhèn)流器。EMI濾波器采用CLC濾波器，整流器采用橋式全波整流，功率因數(shù)校正電路采用Boost型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，逆變器則采用半橋逆變，并采用LCC諧振電路。MCU通過軟件算法來完成，以較低的成本實現(xiàn)高性能的數(shù)字電子鎮(zhèn)流器。該鎮(zhèn)流器輸入級和輸出級完全獨立，控制原理雖簡單，但鎮(zhèn)流器需對輸入、輸出兩級進(jìn)行控制，對于小功率的熒光燈鎮(zhèn)流器而言，線路較為復(fù)雜，成本也高，使其推廣受到了限制。若能將輸入、輸出兩級的控制合并為一級，采用單級的方式同時控制整流輸入的功率因數(shù)校正和高頻逆變輸出，這樣就可以降低鎮(zhèn)流器的成本。這不僅適合我國國情

7、，有利于我國電子節(jié)能燈的普及，還可以改善電網(wǎng)供電質(zhì)量。2雙級電子鎮(zhèn)流器圖1示出電子鎮(zhèn)流器的基本框圖。輸入級采用具有功率因數(shù)校正的整流電路，為避免功率因數(shù)校正所產(chǎn)生的高次諧波反饋到電網(wǎng)，抑制電網(wǎng)污染，通常在其入口處加一個濾波器。輸出級將整流后的直流逆變成高頻交流電，點亮熒光燈管。為提高燈管的發(fā)光效率，并避免燈管在低頻工作下滅弧的缺點，逆變器應(yīng)工作在高頻狀態(tài)，其頻率通常為2080kHz。定稿日期：2009-09-17作者簡介：張淑華（1983-），男，云南大理人，碩士，研究方向為電力電子嵌入式系統(tǒng)。3單級電子鎮(zhèn)流器要實現(xiàn)單級控制，就是要將電子鎮(zhèn)流器的功率因數(shù)校正和逆變兩級合并。合并時必須遵循兩個原

8、則4：合并的功率開關(guān)管必須至少有一個公共節(jié)點；合并的開關(guān)管可以同步導(dǎo)通和關(guān)斷。根據(jù)這兩個原則，對于圖2的雙級電子鎮(zhèn)流器第44卷第3期2010年3月電力電子技術(shù)PowerElectronicsVol.44，No.3March2010而言，開關(guān)管VMs和VM2滿足合并的條件，可以合并為一個，于是得到圖3所示的單級電子鎮(zhèn)流器。其中，功率因數(shù)校正和半橋逆變共用開關(guān)管VM2s，整個電路與雙級電子鎮(zhèn)流器完成同一個功能。起傳導(dǎo)干擾，同時也濾除從電網(wǎng)中輸入的干擾，在鎮(zhèn)流器輸入端加入了LC型EMI濾波器。二極管組成橋式整流電路將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流脈動電壓。L2和VD5及VT2構(gòu)成Boost功率因數(shù)校正電路。VT

9、1，VT2為逆變主干電路，均由AT90PWM2控制，C4，L3和C5構(gòu)成諧振電路。圖3單級電子鎮(zhèn)流器其工作原理如圖4所示。udVM2s為逆變電路產(chǎn)生的方波，也就是諧振電路的輸入電壓。在0t1期間，二極管VD2連通諧振電路；在t1t2期間，VM2s連通諧振電路；在t2t3期間，二極管VD1連通諧振電路；在t3t4期間，VM1連通諧振電路，t4后新的周期又開始，如此循環(huán)工作。啟動階段，諧振電路的諧振頻率略低于開關(guān)頻率，電路諧振電流較大，燈管不導(dǎo)通，相當(dāng)于開路，在兩端產(chǎn)生高壓點燃熒光燈。工作階段，熒光燈導(dǎo)通，C5的作用減小，諧振電路的諧振頻率低于開關(guān)頻率，電路失諧降低熒光燈的電流，保證熒光燈省電和長

10、壽命。工作階段諧振電路呈感性，使輸入電流iL3落后于udVM2s，VM1成為零電壓開關(guān)，VM2s在零電流接通，保證開關(guān)低損耗。圖6單級電子鎮(zhèn)流器主電路（2）線性電源設(shè)計設(shè)計用到的芯片主要有AT90PWM2和IR2106，所需電源分別為+5V和+18V，其中，AT90PWM2對+5V電源的要求較高。線性電源的主要思想是：初始上電，通過分壓方式，產(chǎn)生所需的+18V啟動電壓，并經(jīng)穩(wěn)壓輸出+5V，分別供給驅(qū)動芯片和單片機供電。當(dāng)鎮(zhèn)流器開始工作后，通過在Boost型功率因數(shù)校正電路中的電感上加一個耦合電感，得到互感電壓，經(jīng)過濾波和穩(wěn)壓即可得到正常工作時的+5V和+18V線性電源。（3）驅(qū)動電路設(shè)計由于A

11、T90PWM2中PSC輸出的PWM信號功率較小，不足以驅(qū)動功率管，因此必須把信號進(jìn)行功率放大后再驅(qū)動功率管，且要將主干電路中的強電與控制系統(tǒng)隔離，驅(qū)動電路正是為此目的而設(shè)計的。（4）預(yù)熱啟動電路設(shè)計對于熱陰極型的熒光燈，在啟動時必須給予燈絲充分的預(yù)熱，而且啟動開路電壓必須充足且適時，確保輝光電流足夠小且時間也足夠短，方能保證燈管的正常啟動及其使用壽命。充分考慮性價比，設(shè)計采用扼流圈副繞組輔助預(yù)熱型電路進(jìn)行預(yù)熱5，采用LCC串聯(lián)諧振電路作為啟動電路。（5）保護電路設(shè)計為了使電子鎮(zhèn)流器安全可靠地工作，還要設(shè)計異常狀態(tài)保護電路。對電子鎮(zhèn)流器的輸出進(jìn)行信號采樣，一旦出現(xiàn)燈開路或燈不能啟動等異常狀態(tài)，則

12、通過控制電路使振蕩器停振，關(guān)斷高頻變換器輸出，從而實現(xiàn)保護功能。該鎮(zhèn)流器主要設(shè)計了燈管、過流和過壓等3種保護電路。圖4信號波形4單級電子鎮(zhèn)流器的硬件設(shè)計采用AT90PWM2單片機作為單級電子鎮(zhèn)流器的控制器。單級電子鎮(zhèn)流器的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。MCU通過判斷采集到的信號來控制單級電子鎮(zhèn)流器，同時電路中加入了保護監(jiān)控電路，防止鎮(zhèn)流器因異常工作而損壞。為便于控制和拓寬應(yīng)用領(lǐng)域，還在鎮(zhèn)流器中加入了無線和有線通信模塊，可應(yīng)用到家庭自動化網(wǎng)絡(luò)中。當(dāng)然若能利用AT90PWM2中DALI協(xié)議的硬件接口，還可以進(jìn)行照明的集中控制，實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡(luò)照明調(diào)光控制。5單級電子鎮(zhèn)流器的軟件設(shè)計鎮(zhèn)流器的控制主要利用AT90

13、PWM2中PSC產(chǎn)生PWM波來實現(xiàn)，而PWM波的產(chǎn)生依據(jù)單片機各圖5結(jié)構(gòu)框圖端口得到的采樣信號。整個軟件主要包括初始化程序、ADC轉(zhuǎn)換子程序、預(yù)熱啟動程序和保護子程序。設(shè)計采用調(diào)頻預(yù)熱啟動法，具有燈絲預(yù)熱無功耗，預(yù)熱效果好，控制方便等特點。燈的工作是按預(yù)（1）主電路設(shè)計圖6示出主電路。為濾除半橋逆變電路所產(chǎn)生的EMI，防止它們通過電源線進(jìn)入其他電氣設(shè)備引一種數(shù)字化單級電子鎮(zhèn)流器的研究與設(shè)計熱、觸發(fā)啟輝、點亮3個階段一次進(jìn)行的，且各階段的工作頻率互不相同。預(yù)熱啟動主要采用三段頻率控制：在電路啟動之初，頻率很高，使加在燈管兩端的電壓很低，不足以使燈管在冷態(tài)下激活啟輝，防止燈管因硬開關(guān)而受到損傷；之

14、后，振蕩頻率下降，大約從電壓接通時刻算起，經(jīng)過1.5ms后頻率停止下降，給燈絲一定的預(yù)熱電流，經(jīng)過一定時間（0.41s）預(yù)熱后，電路工作頻率再一次降低，當(dāng)下降到半橋負(fù)載的串聯(lián)諧振頻率時，燈管兩端產(chǎn)生一個較高的電壓，將燈管啟輝點亮。保護子程序主要包括上電短路保護、上電開路保護和正常工作狀態(tài)下的過流和過壓保護。圖7示出電子鎮(zhèn)流器的主程序框圖。當(dāng)單片機執(zhí)行完預(yù)熱啟動程序后，輸出的方波頻率為穩(wěn)態(tài)工作的頻率，如果此時燈管狀態(tài)檢測信號Lamp_Vol經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為高電平（大于3V），則說明燈啟動不成功，燈未被點燃，燈仍舊呈高阻態(tài)，此時單片機將再次開始執(zhí)行預(yù)熱啟動程序，執(zhí)行完畢后重新檢測輸入的反饋信號，如

15、果仍為高，則說明燈己損壞，或因其他原因不能啟動，單片機將停止執(zhí)行下面的主程序，而進(jìn)入中斷程序。單片機停止給半橋逆變器輸出驅(qū)動信號，逆變器停止工作。如果檢測輸入的反饋信號為低（低于1V），則說明燈已被點燃，單片機繼續(xù)執(zhí)行下面的主程序。入電壓同相位，由此可知，所設(shè)計的單級電子鎮(zhèn)流器的功率因數(shù)接近于1。為防止示波器損壞，測試中采用交流變壓器提供電源。受所采用變壓器的影響，圖中的電壓波形發(fā)生了畸變。圖8實驗波形由圖8c可見，燈電流、燈電壓都近似為正弦波，且相位相同，波形光滑。說明LCC串并聯(lián)負(fù)載諧振逆變器消除電源電壓中的直流分量和高次諧波的效果很好，波峰系數(shù)小。由圖8d可見，波形包絡(luò)相對不夠平穩(wěn)，這是

16、因為樣機中直流濾波大電容的容量取得小的緣故，這里僅為22F，但燈管電壓整體比較穩(wěn)定。7結(jié)論所設(shè)計的單級電子鎮(zhèn)流器以體積小、成本低為出發(fā)點，并考慮到智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、通用化和穩(wěn)定性的要求，采用AT90PWM2單片機作為數(shù)字控制器來進(jìn)行設(shè)計。該數(shù)字化的單級電子鎮(zhèn)流器不僅可簡化傳統(tǒng)雙級電子鎮(zhèn)流器存在的線路復(fù)雜問題，還可用軟件實現(xiàn)變頻調(diào)節(jié)和平滑啟動，以提高啟動速度，延長燈管壽命。同時只需對單片機進(jìn)行簡單編程，即可使鎮(zhèn)流器在不同的工作模式下進(jìn)行切換，提圖7主程序框圖高鎮(zhèn)流器硬件電路的通用性，便于升級換代。當(dāng)單片機執(zhí)行完預(yù)熱啟動程序，燈也被點燃后，單片機執(zhí)行穩(wěn)態(tài)工作程序，并實時監(jiān)測Lamp_Vol。

17、若在某時刻檢測到反饋電壓為高電平，單片機將停止執(zhí)行主程序而進(jìn)入中斷程序，使逆變器停止工作，等待5min，讓熱燈充分冷卻。因為熱燈的啟動電壓更高，需要20kV以上，故在5min后，單片機將再次開始執(zhí)行預(yù)熱啟動程序。34參考文獻(xiàn)12陳傳虞.電子節(jié)能燈與電子鎮(zhèn)流器的原理和制造M.北京：人民郵電出版社，2004.毛興武，祝大衛(wèi).電子鎮(zhèn)流器原理與制作M.北京：人民郵電出版社，1999.俞安琪.電子鎮(zhèn)流器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢J.光源與照明，6波形測試及性能分析鑒于有限的測試條件，只對數(shù)字化單級電子鎮(zhèn)2007，（2）：10-13.FranciscoJavierFerreroMartin，CecilioBlancoViejo，JuanCarlosAlvarezAnton，etal.AnalysisandDesignofaHighPowerFactor，