1電子鎮(zhèn)流器及有關(guān)問題
電子鎮(zhèn)流器的負(fù)載是一種特殊負(fù)載，要求電子鎮(zhèn)流器工作時(shí)具有能為負(fù)載提供穩(wěn)定電流的能力。由于它具有節(jié)能、效率高、節(jié)省金屬材料（銅、硅鋼）等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，所以引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。
電子鎮(zhèn)流器采用高頻開關(guān)變換技術(shù)，體積可以做得很小。但由于高頻開關(guān)和整流運(yùn)行的原因，它又存在源側(cè)諧波失真大、電磁輻射干擾嚴(yán)重等缺點(diǎn)，當(dāng)大批電子鎮(zhèn)流器同時(shí)工作時(shí)，高頻諧波會(huì)使電源中線嚴(yán)重偏離零電位，同時(shí)引入極大的峰值電源電流，嚴(yán)重干擾電源系統(tǒng)供電質(zhì)量，甚至造成重大經(jīng)濟(jì)損失。
2電子鎮(zhèn)流器的發(fā)展
從時(shí)間上劃分，電子鎮(zhèn)流器主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：
第一階段是80年代中期到90年代初期。這期間，電力電子技術(shù)由低頻向高頻發(fā)展，APFC（有源功率因數(shù)校正）也開始起步，電子鎮(zhèn)流器的優(yōu)缺點(diǎn)開始顯現(xiàn)出來。這一階段電子鎮(zhèn)流器的主要特征是：
?。?）鎮(zhèn)流器的輸入端采用不可控整流和大電容（或不用電容）濾波，輸入電流波形嚴(yán)重畸變，當(dāng)大量使用時(shí)，會(huì)造成中線電流增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起鎮(zhèn)流器大量損壞甚至造成火災(zāi)。
?。?）采用“逐流”無源" title="無源">無源濾波技術(shù)，使得PF>0.9，THD<30％ 。 但 是 9次 諧 波 的 波 峰 因 子 Cf≈ 2， 超 過 標(biāo) 準(zhǔn) 。 有 人 把 采 用 這 種 “ 逐 流 ” 無 源 濾 波 技 術(shù) 的 電 子 鎮(zhèn) 流 器 叫 作 第 二 代 電 子 鎮(zhèn) 流 器 。
第二階段是90年代初期到90年代中期。這期間，由于APFC技術(shù)已成熟，并推出了相關(guān)專用集成芯片。電子鎮(zhèn)流器電路主要采用兩級(jí)功率變換" title="功率變換">功率變換，第一級(jí)采用APFC（常用BOOST型PFC電路），第二級(jí)采用功率DC/AC逆變。人們常將采用這種技術(shù)的電子鎮(zhèn)流器叫作第三代電子鎮(zhèn)流器。由于它采用了PFC技術(shù)，所以PF可達(dá)0.99，THD及各次諧波指標(biāo)均能滿足要求。但是這種電子鎮(zhèn)流器采取了兩級(jí)高頻功率變換，所以整機(jī)效率在80％～90％，甚至更低，同時(shí)電路復(fù)雜，成本高，一時(shí)難于大范圍推廣。
第三階段是典型電路采用單級(jí)多功能電子鎮(zhèn)流器，發(fā)展方向主要有：
?。?）美國VEPC提出的高頻能量反饋的電荷泵電路，主要指標(biāo)可達(dá)PF>0.995，THD<5％ ， Cf<1.6。
?。?）CUK等人提出的單管電子鎮(zhèn)流器。
本文主要討論兩種采用高頻能量反饋技術(shù)的電子鎮(zhèn)流器和它們的工作原理。
3電子鎮(zhèn)流器的主要參數(shù)
評(píng)價(jià)電子鎮(zhèn)流器的指標(biāo)有很多，下面介紹一些常用指標(biāo)：
?。?）輸入側(cè)功率因數(shù)一般要求PF>0.9；
?。?）輸入側(cè)電流總諧波失真THD<20％ ～ 30％ ， 并 且 要 求 三 次 諧 波 成 分 與 基 波 成 分 （ I3/I1） <17％ ；
（3）瞬態(tài)過電壓保護(hù)由于供電電網(wǎng)中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)高幅值（如1kV左右）的瞬態(tài)脈沖電壓，但電子鎮(zhèn)流器由于受成本的限制，功率變換器件的參數(shù)余量不大。為使電子鎮(zhèn)流器可靠工作，應(yīng)對(duì)這種高幅值的瞬態(tài)干擾加以抑制；
?。?）軟起動(dòng)功能電子鎮(zhèn)流器開起時(shí)，起動(dòng)電流比正常工作電流大許多，降低了負(fù)載工作壽命，所以電子鎮(zhèn)流器應(yīng)配以軟起動(dòng)電路來減小起動(dòng)電流；
?。?）空載電壓電子鎮(zhèn)流器剛開始工作瞬間，負(fù)載還未工作，這時(shí)電子鎮(zhèn)流器的輸出電壓既不能太高，又不能太低。太低，燈管不能起輝；太高，又易降低燈管工作壽命；
?。?）負(fù)載觸發(fā)起動(dòng)方法常用的負(fù)載觸發(fā)起動(dòng)方法有兩種：
①采用正溫度系數(shù)的熱敏電阻法。由于熱敏電阻的熱慣性，負(fù)載穩(wěn)態(tài)工作時(shí)會(huì)對(duì)負(fù)載工作特性產(chǎn)生不利影響；
②瞬間觸發(fā)起動(dòng)，由于負(fù)載沒有預(yù)熱過程，而直接加上較高的觸發(fā)電壓，會(huì)降低燈管陰極使用壽命；
?。?）電流波峰因子Cf對(duì)電子鎮(zhèn)流器要求Cf<1.7， 過 大 會(huì) 降 低 負(fù) 載 壽 命 ；
?。?）效率η由于電子鎮(zhèn)流器較普通鎮(zhèn)流器的優(yōu)點(diǎn)就是效率高，效率提高了就會(huì)達(dá)到節(jié)能效果；
?。?）溫升由于自激振蕩的電子鎮(zhèn)流器或采用APFC技術(shù)的電子鎮(zhèn)流器中采用了磁性元件，而磁性元件的磁導(dǎo)率和溫度有關(guān)。實(shí)用中應(yīng)采用高Bs值的磁性材料，同時(shí)應(yīng)選用溫度系數(shù)低的磁性元件，特別是振蕩線圈磁性材料；
?。?0）應(yīng)力參數(shù)由于高頻功率變換器寄生參數(shù)的存在，功率開關(guān)器件工作時(shí)，會(huì)有高頻振蕩現(xiàn)象產(chǎn)生。產(chǎn)生較大的dv/dt、di/dt，即所謂的動(dòng)態(tài)電壓、電流應(yīng)力。過大的動(dòng)態(tài)應(yīng)力會(huì)造成功率變換器件的損壞。這點(diǎn)可采用軟開關(guān)技術(shù)來降低動(dòng)態(tài)應(yīng)力值。
4采用無源濾波技術(shù)和有源濾波技術(shù)的電子鎮(zhèn)流器
4.1采用電荷泵無源濾波技術(shù)的電子鎮(zhèn)流器電路
該電路工作框圖如圖1所示。
圖1采用無源濾波的電子鎮(zhèn)流器電路
電路的輸出及輸入特性分別見表1及表2。
表1輸出特性
| 參數(shù)名稱 | 燈管電壓 | 燈管電流 | 陰極電壓 | 陰極電流 | 工作頻率（kHz) |
|---|---|---|---|---|---|
| 有效值 | 110.3V | 0.168A | 1.9V | 0.187A | 37.1 |
| 峰值 | 117.7V | 0.294A | 3.3V | 0.308A | |
| 波峰因數(shù)" title="波峰因數(shù)">波峰因數(shù)Cf | 1.61 | 1.83 | 1.73 | 1.65 |
表2輸入特性
| 參數(shù)名稱 | 電壓 | 電流 | 有功功率18.9W功率因數(shù)PF=0.964電源頻率50或60Hz |
|---|---|---|---|
| 有效值 | 228.8V | 0.089A | |
| 峰值 | 382.8V | 0.132A | |
| 波峰因數(shù)Cf | 1.38 | 1.48 | |
| 失真度THD％ | 1.9 | 24.3 |
電源側(cè)電壓、電流波形見圖2。
圖2電源側(cè)電壓、電流波形
圖3采用無源PFC的電子鎮(zhèn)流器電路
圖4電源側(cè)電壓、電流波形
從圖1、2和表1、2可以看出，電路各項(xiàng)性能指標(biāo)都有所兼顧和改善，PF值大于0.95，THD值在25％左右，但電流導(dǎo)通角還有一定的死區(qū)。波峰因數(shù)Cf有很大改進(jìn)，在1.70～1.80。由于這種電路簡單，成本低，所以很有實(shí)用價(jià)值。
4.2采用能量反饋的無源功率因數(shù)校正的電子鎮(zhèn)流器
電路工作原理見圖3。
電源側(cè)電壓、電流波形見圖4。
電路輸出特性見表3。
表3能量反饋式電子鎮(zhèn)流器輸出特性
| 參數(shù)名稱 | 燈管電壓 | 燈管電流 | 陰極電壓 | 陰極電流 | 工作頻率（kHz) |
|---|---|---|---|---|---|
| 有效值 | 57.6V | 0.138A | 1.7V | 0.142A | 37.8 |
| 峰值 | 67.2V | 0.231A | 2.7V | 0.234A | |
| 波峰因數(shù)Cf | 1.51 | 1.68 | 1.65 | 1.65 |
電路輸入特性見表4。
從圖3、4和表3、4中有關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，它的輸入電流導(dǎo)通角為180°，沒有死區(qū)，電壓、電流基本同相位。PF>0.97，電流諧波在18％左右，Cf在1.6左右。由于電路簡單，工作又比較可靠，所以比較適用于電子鎮(zhèn)流器電路。
圖5雙泵式電子鎮(zhèn)流器電路
表4能量反饋式電子鎮(zhèn)流器輸入特性
| 參數(shù)名稱 | 電壓 | 電流 | 有功功率9.4W功率因數(shù)PF=0.973電源頻率50.07Hz |
|---|---|---|---|
| 有效值 | 220.7V | 0.044A | |
| 峰值 | 304.0V | 0.067A | |
| 波峰因數(shù)Cf | 1.38 | 1.54 | |
| 失真度THD％ | 1.9 | 18.9 |
圖6高頻泵式電子鎮(zhèn)流器電路
表5不同濾波電路的電子鎮(zhèn)流器綜合比較
| 類別 | 逐流電路 | 電感－電子 | 有源濾波（APFC） | 雙泵式 | 高泵式 |
|---|---|---|---|---|---|
| 電源電流波形 | |||||
| PF | 0.9～0.96 | 0.96～0.98 | >0.99 | 0.93～0.94 | >0.99 |
| THD | 0.20～0.35 | 0.10～0.15 | <0.1 | 0.25～0.35 | <0.1 |
| HD3 | 0.2～0.3 | <0.12 | <0.1 | 0.2～0.3 | <0.1 |
| Cif | <1.7 | <1.5 | <1.7 | <1.7 | <1.7 |
| η | 0.88～0.9 | 0.8～0.85 | 0.8～0.85 | >0.9 | 0.88～0.9 |
| UDC(V) | 225～230 | 270～280 | ≥400 | 225～230 | 300～350 |
5雙泵和高頻泵電子鎮(zhèn)流器電路及實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
下面分別介紹采用雙泵式（雙向自供輔助電源式）和高頻泵（高頻能量反饋）的無源濾波電子鎮(zhèn)流器電路和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
圖5為雙泵式電子鎮(zhèn)流器工作原理圖。電容C1、C2，電解電容C3、C4和二極管V1～V4構(gòu)成了正、負(fù)雙向輔助電荷泵。電子鎮(zhèn)流器通電后短時(shí)間內(nèi)，V1～V4及C3、C4構(gòu)成一個(gè)寄生二極管和電容濾波回路，使電路工作。燈管點(diǎn)亮后，高頻電流的一部分經(jīng)由C1、C2返回電源，另一部分經(jīng)過V1、V2整流，由C3、C4濾波，形成正、負(fù)兩個(gè)輔助電壓±△U，經(jīng)由V3、V4與橋式整流后的100Hz脈動(dòng)直流電壓相疊加，形成一個(gè)波峰比Cf比較小的供電電源為功率變換級(jí)供電。適當(dāng)選擇電容器的取值，可使電流的波峰比Cf<1.7的 同 時(shí) ， 使 PF和 THD值 保 持 在 一 個(gè) 比 較 理 想 的 范 圍 。 對(duì) 典 型 的 220V/36W電 子 鎮(zhèn) 流 器 采 用 這 種 方 法 后 ， 可 得 到 ： PF="0.945，" THD="32％" ， 三 次 諧 波 含 量 HD3="0.28，" Cf="1.61，" η="0.93，" f="24.5kHz。" 由 于 這 種 電 子 鎮(zhèn) 流 器 的 高 頻 電 流 得 到 了 再 生 利 用 ， 所 以 電 路 工 作 效 率 較 高 。 由 于 燈 電 流 Cf值 較 小 ， 所 以 發(fā) 光 效 率 也 比 較 高 。 源 電 壓 范 圍 為 160～ 270VAC。 整 個(gè) 電 路 對(duì) 元 器 件 無 特 殊 要 求 。
圖6為采用無源濾波技術(shù)的高頻泵式電子鎮(zhèn)流器電路原理圖。電容C1、C2，二極管V1、V2組成高頻泵反饋回路。當(dāng)電子鎮(zhèn)流器工作后，高頻電流通過電容C1、C2和V1、V2構(gòu)成正、負(fù)兩個(gè)回路，正半周由V2對(duì)C0充電，填充低谷，波峰比變小，負(fù)峰波由V1返回電源，對(duì)整流管而言，產(chǎn)生高電平時(shí)的負(fù)阻狀態(tài)，從而提高了PF值。適當(dāng)選擇元器件參數(shù)，可使電路的效率得到提高。對(duì)采用這種方法的220V/36W電子鎮(zhèn)流器典型參數(shù)為：PF=0.994，THD=0.068，HD3=0.051，Cf=1.62，η=0.89，f=25.3kHz。
6結(jié)論
對(duì)采用不同濾波電路的電子鎮(zhèn)流器綜合比較結(jié)果，見表5。
由表5可以看出，采用APFC的電子鎮(zhèn)流器總體指標(biāo)最好，但它造價(jià)相對(duì)高些，電路相對(duì)也復(fù)雜些，一時(shí)難于普及。而高頻泵和雙泵式電子鎮(zhèn)流器電路，總體指標(biāo)較好，三次諧波含量HD3：雙泵式為0.2～0.3，而高頻泵式小于0.1，有源濾波式小于0.1。由于采用雙泵和高頻泵能量反饋電路只添加幾個(gè)無源元件，造價(jià)低，所以較具有實(shí)用價(jià)值。當(dāng)然要提高整體電子鎮(zhèn)流器的性能、工作可靠性等指標(biāo)，還和功率變換電路形式（如諧振軟開關(guān)）、元器件的質(zhì)量有關(guān)。