電流饋電式半橋熒光燈鎮(zhèn)流器的建模及設(shè)計(jì)

王青松, 程明

(東南大學(xué)電氣工程學(xué)院,江蘇南京210096)

電流饋電式半橋熒光燈鎮(zhèn)流器的建模及設(shè)計(jì)

王青松, 程明

(東南大學(xué)電氣工程學(xué)院,江蘇南京210096)

針對電流饋電式半橋熒光燈電子鎮(zhèn)流器的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程無理論可循、僅僅依靠工程經(jīng)驗(yàn)試湊參數(shù)的問題,探討了鎮(zhèn)流器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)影響燈管壽命的關(guān)鍵因素,基于等效分析法和相量法建立了拓?fù)涞牡刃Ｐ筒⑼茖?dǎo)了相關(guān)公式,提出了電路中關(guān)鍵元件參數(shù)的理論計(jì)算方法。在不改變電路拓?fù)涞那闆r下,通過優(yōu)化設(shè)計(jì)電路參數(shù),可在保證系統(tǒng)原有性能的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減小燈電流的波峰系數(shù)(crest factor,CF),通過仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所建模型及理論計(jì)算的準(zhǔn)確性,最后通過對比說明經(jīng)建模后得出的新參數(shù)使得燈電流的CF低于原設(shè)計(jì),從而有效緩解燈電流對燈管壽命的影響,提高了系統(tǒng)的可靠性。

拓?fù)浣?參數(shù)設(shè)計(jì);熒光燈;電子鎮(zhèn)流器;電流饋電式;波峰系數(shù)

0 引 言

熒光燈［1］因高效節(jié)能正在取代傳統(tǒng)的白熾燈,在國民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用。電子鎮(zhèn)流器［2-4］作為熒光燈的驅(qū)動(dòng)器,其性能的優(yōu)劣不僅直接影響熒光燈的照明效果,而且影響熒光燈的壽命。當(dāng)前,電流饋電式半橋熒光燈電子鎮(zhèn)流器以其成本低以及安全的隔離輸出等優(yōu)勢被國內(nèi)外眾多廠商所采用［5］。然而,隨著大量產(chǎn)品投放市場,電子鎮(zhèn)流失效所導(dǎo)致的燈具損壞問題日益凸顯,失效的元件主要是主開關(guān)管、續(xù)流電容和磁元件等。更為嚴(yán)重的是,電子鎮(zhèn)流器參數(shù)設(shè)計(jì)不合理還會(huì)影響燈管使用壽命,導(dǎo)致使用成本增加,出現(xiàn)了熒光燈“省電不省錢”現(xiàn)象,這在一定程度上阻礙了熒光燈及電子鎮(zhèn)流器的推廣使用。有關(guān)廠商雖然對產(chǎn)品不斷進(jìn)行改進(jìn),但始終沒能從根本上解決這一問題。究其原因,目前主要依靠經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)選擇電路參數(shù),缺少深人的理論分析和精細(xì)的設(shè)計(jì)。國內(nèi)已見有關(guān)該拓?fù)涞慕榻B文獻(xiàn)［1］,但國內(nèi)外還未見有關(guān)建模的文獻(xiàn)。因此,深人研究并構(gòu)建該拓?fù)涞臄?shù)學(xué)模型、分析其工作模式,從而進(jìn)行電路的優(yōu)化設(shè)計(jì),顯得迫在眉睫。

本文以驅(qū)動(dòng)F32T8［6-7］燈管的無預(yù)熱型電子鎮(zhèn)流器的主拓?fù)洌?］為研究對象,對其進(jìn)行理論建模和仿真分析,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上,給出了關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算公式,為下一步實(shí)現(xiàn)對該拓?fù)涞膬?yōu)化改進(jìn)奠定了理論基礎(chǔ)。

1 拓?fù)渲麟娐方榻B

如圖1所示為電流饋電式半橋主拓?fù)?T2是饋流電感,共兩個(gè)繞組,激磁電感量為Lm,匝比為1:1; T4為輸出變壓器,原邊電感量為Lr,原邊匝數(shù)為Np,與電容C7并聯(lián),一組副邊繞組與電容Co和燈負(fù)載(Rlamp)的串聯(lián)組合并聯(lián),匝數(shù)為Ns;D1、D2分別與Q1、Q2并聯(lián),主要作用是續(xù)流;C8與兩個(gè)開關(guān)管并聯(lián),也起緩沖續(xù)流作用,整個(gè)電路的具體工作過程詳見參考文獻(xiàn)［1］,本文沿用參考文獻(xiàn)［1］中元件的符號,比如T2、T4、C7、C8等。

圖1 電流饋電式半橋拓?fù)鋱DFig.1 Topology of current fed half bridge

2 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)影響燈管壽命的因素

當(dāng)電子鎮(zhèn)流器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),影響燈管壽命的主要因素是燈電流波峰系數(shù)(crest factor,CF)。CF定義為燈電流的峰峰值的一半再除以有效值。如果燈電流中沒有高次諧波,那么CF應(yīng)該等于或略大于1.414。UL935標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制規(guī)定CF值小于1.7。實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí)必須留有余量,CF的理論值一般設(shè)計(jì)在1.65以下,否則燈電流的毛刺會(huì)使得峰峰值增大而導(dǎo)致CF值超出1.7,這種問題特別會(huì)出現(xiàn)在帶多種負(fù)載的電子鎮(zhèn)流器中。以文中所舉4燈F32T8并聯(lián)負(fù)載為例,測得現(xiàn)有投人北美市場的一款鎮(zhèn)流器的參數(shù)如表1。

表1 現(xiàn)有電子鎮(zhèn)流器工作參數(shù)值Table 1 Performances of existing electric ballasts

由表1可知,當(dāng)輸人電壓為277V時(shí),每個(gè)燈的CF都接近1.7,這種設(shè)計(jì)顯然會(huì)影響到燈管的使用壽命。

3 等效模型的建立

主電路是典型的并聯(lián)諧振電路。T4原邊繞組與C7等電容組成了并聯(lián)Tank,電路工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài),能量通過T4的副邊傳遞給燈負(fù)載。直流母線電壓Udc經(jīng)過T2后轉(zhuǎn)換成電流輸人Tank,不斷補(bǔ)充Tank在工作過程中的能量損耗,使得振蕩能不停地維持下去［1］。本文的分析基于如下假設(shè):T2和T4都是全藕合變壓器,原邊激磁電感量分別為Lm和Lr,且Lm?Lr。若將D1和Q1視為半橋電路的上橋臂,D2和Q2視為下橋臂,則任意時(shí)刻上、下橋臂同時(shí)只能有一組處于通態(tài),否則將會(huì)引起短路故障。因而,建模的思路可以基于上、下橋臂的錯(cuò)時(shí)導(dǎo)通建立分階段的等效電路模型。本文中下橋臂導(dǎo)通且上橋臂關(guān)斷定義為階段1,上橋臂導(dǎo)通且下橋臂關(guān)斷則定義為階段2。

3.1 Rlamp與Co的等效

對圖1中節(jié)點(diǎn)A和B之間的電路進(jìn)行等效,利用全藕合變壓器的特性將變壓器T4副邊所帶的負(fù)載Co和Rlamp這算到原邊,等效過程如圖2。

圖2 Rlamp與Co的等效過程Fig.2 Equivalent circuit of Rlampand Co

圖2 中

3.2 階段1等效電路模型的建立

階段1的電路模型如圖3,上臂關(guān)斷且下臂導(dǎo)通。以下利用等效的思想建立除3.1所示電路之外的等效電路模型(主要包括電源、T2、Q1、Q2、D1、D2和C8)。利用相量分析法建模,具體過程如圖4,其中U·oc為AB端口的開路電壓相量,設(shè)此時(shí)AB端口的等效戴維南阻抗為Z0。

圖3 階段1的情形Fig.3 Scenario of phase1

圖4 階段1時(shí)關(guān)鍵元件的等效相量模型等效過程Fig.4 Equivalent phasor model of key com ponents at phase1

圖4 (b)中,可以計(jì)算出AB端的等效戴維南阻抗和開路電壓分別如式(2)和式(3)。

同理可以計(jì)算出圖4(c)中AB端的開路電壓和等效阻抗,結(jié)果與圖4(b)完全一致,根據(jù)等效的定義可以看出圖4(b)與圖4(c)的電路相互等效。故可得出階段1的等效電路模型如圖5所示。

圖5 階段1的等效電路模型Fig.5 Equivalent circuit of phase 1

3.3 階段2等效電路模型的建立

同理可得階段2等效電路模型如圖6所示。

圖6 階段2的等效電路模型Fig.6 Equivalent circuit of phase 2

3.4 整個(gè)主電路拓?fù)涞牡刃щ娐纺Ｐ?/p>

當(dāng)T2的激磁電感量Lm足夠大時(shí),電壓源經(jīng)過大電感之后轉(zhuǎn)換成電流注人Tank,利用諾頓定理對圖5和圖6中的電路進(jìn)一步化簡可得階段1和階段2總的電路模型如圖7。

圖7 電流饋電式半橋拓?fù)涞牡刃щ娐纺Ｐ虵ig.7 Equivalent circuit of current fed half bridge topology

3.5 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

根據(jù)所建模型可以得出電路參數(shù)的計(jì)算公式如式(4)～式(7)。

以4燈F32T8并聯(lián)負(fù)載為例,設(shè)計(jì)要求:總負(fù)載功率Plamp為110W,電路工作頻率f為42 kHz,變壓器T4副邊輸出電壓有效值Uovc為587 V。已知: Lm//Lr≈Lr;前級PFC輸出Udc為460 V;燈的特性曲線顯示當(dāng)Ilamp為183mA時(shí),燈電壓Ulamp約為150 V,此時(shí)單燈功率約為27.5W。假設(shè)每個(gè)燈的工作狀態(tài)相同,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)首先作如下設(shè)計(jì):T4副邊與原邊的匝比為2.3;C和C的值分別選為4.7 nF和1 nF,78鎮(zhèn)流電容值為1.2 nF。根據(jù)式(4)～式(7)可算出Lr及關(guān)鍵元件電壓理論上的有效值:Lr=408μH, UC7RMS=255 V,UC8RMS=511 V。

3.6 模型仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述參數(shù)的仿真結(jié)果如圖8。C7和C8的電壓有效值分別為255 V和511 V,與理論計(jì)算一致,燈電流的有效值為188 mA,仿真結(jié)果比理論值大了5mA,其主要原因是仿真電路中用純電阻代替了實(shí)際的燈負(fù)載。圖9的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也與理論計(jì)算值相當(dāng)。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所建模型的準(zhǔn)確性。

圖8 穩(wěn)態(tài)時(shí)電容C7、C8電壓以及燈電流仿真波形Fig.8 Simulation waveform s of voltage on C7and C8and lam p current

圖9 穩(wěn)態(tài)時(shí)燈電流以及電容C8、C7電壓實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 Experimentalwaveform s of lam p current and voltage on C8and C7

3.7 拓?fù)浣Ｇ昂蟮腃F值對比

在相同的條件下,參數(shù)的重新設(shè)計(jì)主要是針對T4原邊電感量Lr所進(jìn)行的。原設(shè)計(jì)的Lr根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取值為385μH,重新設(shè)計(jì)的參數(shù)為408μH。當(dāng)然,匝比不變的情況下,T4副邊的電感量也隨之變化。圖10是原設(shè)計(jì)中燈電流的CF值,圖11是拓?fù)浣：蟮腃F值。

圖10 原設(shè)計(jì)中燈電流的CF值Fig.10 CF value of lamp current in existing design

圖11 拓?fù)浣：蟮腃F值Fig.11 CF value of lamp current after topology modeling

由圖10和圖11可知,原設(shè)計(jì)中的CF值為1.67,而拓?fù)浣：蟮腃F值為1.63。前者的裕量很小,只要稍微有點(diǎn)干擾,燈管實(shí)際工作時(shí)的CF就會(huì)達(dá)到或超過1.7,而后者明顯小于經(jīng)驗(yàn)值1.65,滿足要求,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2,與仿真結(jié)果一致,這樣的CF值可以有效緩解燈管壽命短的問題。

表2 拓?fù)浣：蟮碾娮渔?zhèn)流器工作參數(shù)值Table 2 Performances of electric ballasts after topology modeling

注意,表2中的Crest Factor-1～4分別表示4個(gè)燈管的CF值,每個(gè)燈管的測量順序是隨機(jī)的。

4 結(jié) 論

本文深人研究了傳統(tǒng)的電流饋電式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。文中運(yùn)用正弦穩(wěn)態(tài)電路的阻抗變換法、變壓器理論、相量法［6］等相關(guān)知識(shí),采用階段分析法對拓?fù)浣⒘说刃Чぷ髂Ｐ?在此基礎(chǔ)上得出了主電路中關(guān)鍵元件的參數(shù)計(jì)算方法,最后通過仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所建模型和參數(shù)計(jì)算方法的準(zhǔn)確性,通過參數(shù)的重新設(shè)計(jì)降低了燈電流的CF,能在一定程度上延長燈管的使用壽命。本文的成果對于深人理解電流饋電式拓?fù)溆泻艽髱椭?為進(jìn)一步研究和利用此拓?fù)涮峁┝死碚撘罁?jù),并為實(shí)現(xiàn)對此拓?fù)涞膬?yōu)化改進(jìn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］ 陳丹江,張偉.熒光燈模型綜述［J］.照明工程學(xué)報(bào),2007,18 (2):20-24. CHEN Danjiang,ZHANG Wei.Summary of fluorescent lamp models［J］.China Illuminating Engineering Journal,2007,18 (2):20-24.

［2］ 楊世光.熒光燈電子鎮(zhèn)流器的新進(jìn)展［J］.照明工程學(xué)報(bào),2004,15(1):43-45. YANG Shiguang.New development of electronic ballast for fluorescent lamps［J］.China Illuminating Engineering Journal,2004,15(1):43-45.

［3］ LASKAIL,ENJETIP N,PITEL I J.White-noise modulation of high-frequency high-intensity discharge lamp ballasts［J］.IEEE Transactions on Industry Applications,1998,34(3):597.

［4］ CHENG C A,LIANG T J,CHUANG CM,etal.A novelmethod of using second-order lamp model to design dimmable fluorescent lamps electronic ballast［C］//2001 IEEE IECON annual conference,Nov./Dec.,2001,Denver,USA.2001,2:1033-1037.

［5］ 王青松,胡冰新,劉景夏,等.一種電流饋電式半橋拓?fù)涞难芯浚跩］.解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,14(5):490 -493. WANG Qingsong,HU Bingxin,LIU Jingxia,et al.Current fed half bridge topology［J］.Journal of PLA Univrsity of Science and Technology:Natural Science Editon,2013,14(5):490-493.

［6］ CERVIM,SEIDEL A R,BISOGNO F E,etal.Fluorescent lamp model based on the equivalent variation［C］//2002 IEEE IASannual meeting,Oct.,2002,Pittsburgh,USA.2002,1:680 -684.

［7］ SUN M,HESTERMAN B L.PSpice high-frequency dynamic fluorescent lamp model［J］.IEEE Transactions on Industry Applications,1998,13(2):261-272.

［8］ STEIGERWALD R L.A comparison of half-bridge resonant converter topologies［J］.IEEE Transactions on Power Electronics,1988,3(2):174-182.

［9］ DIAZ F J,AZCONDO F J,CASANUEVA R,et al.Digital control of a low-frequency square-wave electronic ballastwith resonant ignition［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008,55(9):3180-3191.

［10］ YAN W,TAM E,HUIS Y R.A semi-theoretical fluorescent lampmodel for time-domain transientand steady-state simulations［J］.IEEE Transactions on Power Electronics,2007,22(6): 2106-2115.

［11］ LIN R L,WANG Z Q.2.56-MHz self-oscillating electronic ballastwith constant-lamp current control formetal halide lamp［J］. IEEE Transactions on Power Electronics,2007,22(3):839 -844.

［12］ DEMORAISA S,FARIASV J,DEFREITASLC,etal.A high power factor ballast using a single switch with both power stages integrated［J］.IEEE Transactions on Power Electronics,2006,21(2):524-531.

［13］ CHEN M R.The standard requirements and current development of American-style fluorescent lamp electronic ballast［J］.Journal of China Light&Lighting,2008,2:34-38.

(編輯:劉琳琳)

M odeling and parameter optim ization of current fed half bridge topology in fluorescent lam p electronic ballast

WANG Qing-song, CHENG Ming
(School of Electrical Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China)

To solve the issue that there is no theoretical guidance during product design for electric ballasts using current fed half bridge topologies,the key factor to lamp life at stable state was discussed first.Topologymodeling was introduced and relevant formulaswere provided based on equivalent analysis and phasormethod.And then an equivalent circuitmodel was set up and method for parameter selection of key componentswas given.Without any change of the topology,the crest fact(CF)of lamp current was reduced by parameter optimization of the key components.The accuracy of the model and the method was validated by simulative and experimentalwaveforms.Finally,a comparison was done to verify that lamp life can be raised effectively through parametermodification of themain circuit based on topologymodeling.

topologymodeling;parameter design;fluorescent lamp;electronic ballast;current fed;crest factor

10.15938/j.emc.2015.09.006

TM 923.61

A

1007-449X(2015)09-0040-06

2014-01-20

國家自然科學(xué)基金(51320105002);教育部博士點(diǎn)基金(20120092130008)

王青松(1982—),男,博士研究生,研究方向?yàn)殡娮渔?zhèn)流器、電流型多電平、新能源發(fā)電控制技術(shù)等;程 明(1960—),男,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)殡姍C(jī)與控制、新能源發(fā)電、電動(dòng)汽車等。

王青松