電子鎮流器諧振回路的設計

鄒學軍，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

電子鎮流器具有噪聲小、啟動快、無頻閃以及效率高等特點，再加上其重量輕、耗材少，比傳統的工頻鎮流器更有競爭優勢。高性能的電子鎮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糾正（Active Power Factor Correction，APFC）技術提高功率因數，滿足線路諧波要求，同時為后級變換提供比較穩定的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]。電子鎮流器的工作狀態直接決定熒光燈的工作狀態，而熒光燈在不同工作狀態下的等效電路模型也不相同，對電子鎮流器的逆變電路和諧振電路進行理論分析與計算具有重要意義。

1 設計過程

鎮流器的拓撲結構有很多種，常用的是半橋拓撲結構，如圖1所示。

圖1 鎮流器半橋逆變電路

其中，UDC是由前級功率因數校正電路提供的直流電壓。經過開關管S1、S2輪流導通形成占空比約為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諧振回路提供高頻交流電能。Cb為隔直電容，在諧振回路設計中可以忽略不計。諧振電路等效電路如圖2所示。

圖2 電子鎮流器諧振等效電路

（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，每一個高頻周期內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。根據雙端熒光燈管規格標準，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]。根據歐姆定律，計算得出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，電子鎮流器的工作頻率和匹配回路的諧振頻率相同時，輸出電流保持恒定，與負載阻抗無關。由于諧振回路的存在，只有基波的能量傳遞到燈管上，因此電子鎮流器諧振等效電路需要考慮基波分量[6]。根據傅里葉級數分解可以得到基波有效值為

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

在諧振等效電路中，根據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為鎮流器的工作角頻率。

流過熒光燈管的電流IR為

當鎮流器的工作頻率和LC回路的諧振頻率相同時，ω2LC=1，則：

從式（4）可以看出，當鎮流器的工作頻率和LC回路的諧振頻率相同時，流過燈管的電流和燈管的等效電阻的大小無關。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。當鎮流器輸出接線端短路時，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，當鎮流器輸出接線端短路，流過電感的電流仍是0.17 A，鎮流器并不會因短路而電流過大損壞。

（2）電子鎮流器的工作頻率設定。因為人耳能聽到的頻率為20 Hz～20 kHz，所以電子鎮流器的工作頻率應大于20 kHz。38 kHz頻率又可能會對常用的紅外遙控形成干擾，頻率超過100 kHz的半導體開關器件價格會上升。綜合考慮以上各種因素，將鎮流器的工作頻率設定在44 kHz。鎮流器頻率設定后，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電容、電阻以及相應的控制芯片實現。

（3）確定諧振回路的參數。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需要承受很高的電壓，額定電壓為1 600 V。諧振電感為非標器件，其設計需要考慮的因素較多。在不同燈管負載下，燈管的燈電壓明顯不同。由于諧振電容同燈管并聯，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。考慮到高頻下的趨膚效應，采用直徑為0.16 mm的3股漆包線繞180匝，環境溫度為50 ℃的情況下測得線圈表面溫度為94 ℃，設計具有可行性。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，主要產生的是磁滯損耗，需要設定合適的最大工作磁感應強度來降低磁芯的損耗。為了降低電子鎮流器的外殼高度，選用EFD20磁芯，其有效面積為28.8 mm2。在接35 W的燈負載時，輸出功率最大，同時流過諧振電感的電流的有效值也最大，此時電感電流的最大值為0.36 A。

2 實際產品驗證

將輸出電流為0.17 A的電子鎮流器接不同功率的T5燈管，實際測得的部分數據如表1所示。

表1 電子鎮流器接不同規格T5燈管的測試數據

根據表1，所設計的電子鎮流器在接不同規格的T5燈管時，輸出電流的偏差在10 mA以內，具有良好的電流恒輸出特性。

3 結 論

電子鎮流器的工作頻率和諧振回路相同時，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。在諧振點工作的電子鎮流器具有恒流輸出的特性，在查到燈管的電流參數的情況下，按照本文的方法可以快速設計與之匹配的諧振回路，縮短產品的開發時間。