荧光灯电子镇流器的设计
1 设计误区之一———电磁兼容(EMC)
1.1 误区产生的由来
荧光灯电子镇流器在我国起步较早,但起点很低,相当长一段时期误将其视作小家电设施,而以点亮一支灯和价廉为目的。待人们明白其涉及的相关领域和相关技术之复杂,特别是关于交流荧光灯电子镇流器国家标准颁布实施后,转而将提高的重点放在功率因数校正(PFC)、输入电流谐波(THD)、预热启辉、异常保护和灯电流波峰比(CCF)等技术指标上,而关于传导干扰(EMI)、射频干扰(RFI)、辐射干扰(EMS)等多项电磁兼容(EMC)要求,由于IEC928-1990和GB15143-94标准未作明确的限定,再加上极少有专著涉及和明确,以至于不少设计人员误以为降低输入电流谐波总量(THD)至GB/T15144-94“L”级水平或IEC6100-3-2谐波限值即可实现电磁兼容(EMC)。
1.2 典型的EMC滤波器电路(见图1)
L1、L2、L3、L4及C1、C2、C3、C4组成二级双π型EMI、RFI和EMS差模———共模抑制滤波电路,既抑制了来自电网的电磁干扰,同时电子镇流器自身产生的电磁干扰也能起到有效衰减和滤除作用,从而保证电网和周围电磁环境不受污染,达到电磁兼容(EMC)要求。通常L1=L2=50～70mh;L3=L4=20～25mh;C1=C2=C5=0.1～0.2μf;C3=C4=4700pF～0.1μf;R1约为1～2MΩ。
2 设计误区之二———高输入功率因数的竞逐
2.1 输入功率因数(λ),实际是由相移功率因数cosΦ1和畸变功率因数cosθ两部分组成,如图2功率三角形所示。
一般情况,电子镇流器输入电压和输入电流的移相角(Φ1)很小,故相移功率因数(cosΦ1)往往大于0 95。由于输入电流发生畸变,产生大量电流谐波(THD),畸变功率因数(cosθ)很低,对于未设计功率因数校正电路的电子镇流器,其cosθ约为0.6,故普通电子镇流器的输入功率因数(λ)均在0.55左右。
2.2 输入功率因数校正电路(PFC)
输入电流谐波对供电电网和用电设施的危害,已是每个设计工作者共知的事实。为抑制输入电流谐波,提高功率因数,广大科研设计工作者相继研制了各种功率因数校正电路。主要有:有源功率因数校正(APFC)和无源功率因数校正(PPFC)两类电路,前者因为制作成本和体积等原因并未广泛采用,后者则有“逐流式”、“高泵式”、“双泵式”、“叠加式”等电路。上述电路均对抑制输入电流谐波,提高功率因数作出了贡献。
2.3 高功率因数的设计竞逐
前期,由于若干论著的导向和设计者本身的认知模糊,在产品设计中出现了两种明显不同的倾向:一种置一切规定和标准于不顾,只认商业利益,生产质劣价廉的低功率因数电子镇流器;另一种则盲目竞逐高功率因数电路,似乎不将功率因数提高到“0.99”则不足以体现设计水平。殊不知,这样做是要付出成本和可靠性方面代价的,其结果是从根本上危害了用户的利益和得不偿失。实际上,无论何种设计方案,每一个设计者均应将电子镇流器的安全性和工作可靠性牢牢摆在首位,否则再低廉的价格或再高的功率因数也是没有意义的。
2.4 输入功率因数(λ)的设计定位
从严格意义上说,电子镇流器的输入功率因数(λ)仅是抑制输入电流谐波总量(THD)及兼顾电磁兼容和满足输入功率的一个从属技术指标。为避免设计观念误会,功率因数较正电路直接定位为“谐波滤波电路”反而更符合实际。GB/T15144-94标准指出,当输入功率因数(λ)≥0.85时,该镇流器即定性为高功率因数镇流器,综合多方面因素,将电子镇流器输入功率因数(λ)锁定在0 90左右较为合适,但更重要的是其谐波含量和电磁兼容必须符合GB17625 1-1998和GB17625 2-1999标准要求。
3 设计误区之三———振荡频率的选择范围
3.1 现状
由于材料特性、匹配要求、制作成本和技术水平等方面的原因,目前绝大部分电子镇流器(含CFL)采用的都是半桥电压馈电他激式串联谐振电路,其振荡频率主要由输出电感、脉冲变压器及与灯并联的谐振电容和灯的阻抗特性等参数决定,且荧光灯管既是输出负载,又是组成谐振电路的重要元件,它们之间相互制约和影响极大,故而振荡频率选择范围较窄,多集中在20～33kHz之间。
3.2 振荡频率的提高
如表1所示,现行设计的电子镇流器(含CFL)虽较电感镇流器在降低荧光灯频闪度方面前进了一大步,但仍高达20%～30%,换言之其振荡频率应提高到40kHz以上,能达到类同白炽灯照明的理想和实用状况。
3.3 电路设计误区之三的弥补
在通常的半桥电压馈电他激式串联谐振设计电路中,如果盲目地改变谐振元件参数来提高振荡频率,由于电路的相互制约性将导致整机性能质量和可靠性严重下降,其结果往往得不偿失。采用如图3虚线框所示的自振荡驱动器厚膜IC设计电路,则可克服上述弊端。
图中厚膜IC的自振荡频率由下式决定:
改变R2或C2的参数即可改变自振荡频率,例如:R1=1.5kΩ;R2=68kΩ;C2=500pf时,振荡频率f=41.5kHz。
4 设计误区之四———灯电流波峰比(CCF)的定性
4.1 灯电流波峰比定义
灯正常工作时,灯电流在单位时间内的峰值与均方根值的最大比值,GB/T15144-94标准规定该比值应小于1.7。
4.2 降低灯电流波峰比(CCF)的意义
在设计电子镇流器时,一般将CCF当作一项重要的技术性能指标,而对于它在具体应用中的意义研究不足,通常解释为灯电流波峰比过高,将引起灯阴极材料溅射,导致灯管早期发黑。依据日本JISC8117标准规定该值小于2.1,早期一些标准中补充了“当灯电流波峰比>1.7时,制造厂商应提供对灯管无损的证据”的规定,其着眼点仍放在灯的寿命上。众所周知,目前大量应用的“逐流式”电子镇流器的灯电流波峰比均在2.0左右,在匹配良好的情况下,多年实际应用并无灯管早期发黑现象,并且灯管寿命较电感式荧光灯大大延长。据实验同频工作的电子镇流器当灯电流波峰比接近或小于1.7时,荧光灯光通量波动深度(δ)将明显降低,因此降低灯电流波峰比(CCF)对于降低荧光灯频闪度和延长灯管寿命具有同等的意义。
4.3 决定灯电流波峰比的关键
一般电子镇流器的输出高频电流波形接近正弦波,理论上波峰比应接近1.414，但由于该高频电流的包迹波受到整流滤波电路直流输出电压的纹波所调制,往往是直流电压的波纹系数和脉动系数越大,灯电流波峰比越大,故设计时应尽可能增大电子镇流器的滤波电解电容(见图1中的C7)并同时兼顾协调设计“谐波滤波电路”,平滑灯电流波峰系数,从而降低荧光灯的频闪度。