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功率電子器件在熒光照明中的應用

發布時間:2018-11-24發布人:來自互聯網

功率電子器件在熒光照明中的應用

    為了降耗節能,用熒光燈、LED或HID替代白熾燈的工作正在全世界范圍內進行,并取得了巨大進展。舉例來說,電子變壓器已用來驅動低電壓鹵素燈,用于熒光燈的磁性鎮流器已經被電子鎮流器所取代,而LED已經使用高效的開關電源。其中,替換50/60Hz鐵芯變壓器或鎮流器的主要原因是為了提升效率。不過,新型電子鎮流器雖能帶來更高的性能和更小的質量或體積,但價格仍偏貴。然而,取決于具體應用,特別是考慮到電子鎮流器能降低能耗的時候,用其取代磁性鎮流器的投資回報時間就不會超過一年。

  對熒光燈照明和電子鎮流器的封閉檢查

  經典的磁性鎮流器和啟輝器能完滿執行熒光燈的工作要求(見圖1)。最初,起輝器S1關閉,電流流經電感L1和燈絲FL。當起輝器經一段時間啟動后,燈絲已處于高溫狀態,電流的急劇變化會導致電感產生高電壓并通過燈泡。當燈被點亮后,電感的感抗就會限制放電電流。

 圖1 磁性鎮流器原理

  磁性鎮流器的缺點

  這個簡單鎮流器的一些缺點是明顯的,而另一些則不是。首先,啟輝器會在線電壓零交叉時啟動。此時的電流比較小,啟動電壓也是如此,燈泡也許不會啟動。整個系統效率較低,而這要歸結于兩個原因。首先是價格的風險,電感自身的高損耗是公認的。第二是離子在線電壓零交叉時要重新結合,而在下個半周期中又要被離子化,后面的行為會導致可觀的能量損失。

  電子鎮流器的優點

  電子鎮流器的一個主要優點是其有很高的頻率(一般為30~60kHz)。由于此高頻率,離子的重組合不會發生,燈泡的效率會增加10%(相比于工作在50/60Hz時)。此外,電子鎮流器本身的設計效率要高于90%,當同FL一起工作時,能輕易節省30%的能量。

  在歐洲最流行的FL鎮流器拓撲是電壓饋電系列共振半橋(見圖2)。

圖2 FL鎮流器的結構框圖

  半橋能被不同的頻率驅動,占空比約為50%。在啟動階段,只要FL不被點燃,鎮流器控制器就會產生高于L1/C1的共振頻率。于是,大電流流經燈絲將其加熱到預期的溫度。當經過一段決定于外部元件的時間后,控制器開始降低工作頻率以達共振。其結果,通過燈泡的高電壓產生了,燈泡被點亮。點亮后,FL的阻抗會對共振電路進行抑制,使燈泡上的電壓接近工作電壓。在許多應用中,燈泡電流被直接或間接地感應到,工作頻率會被調整到預置點。而只要工作頻率超過L1/C1的共振頻率,MOSFET就會進行軟開關,在EMI被降低的同時,開關損失可忽略不計。

  帶有快速恢復二極管的MOSFET會非常適合如圖1那樣的應用。集成快速恢復體二極管的500V和600V Q-FETTM,以及600V SuperFETTM都屬這種類型。因為上部MOSFET的柵極需要高電壓驅動,所以高壓側的柵極驅動是必須的。高電壓驅動器芯片,像飛兆公司的FAN7380、FAN7383、FAN7384以及FAN7382都符合這些要求并具有很好噪聲免疫能力。此外,還有具備安全和控制功能的純鎮流器驅動器FAN7544和集成高壓柵級驅動的控制器FAN7532。

  功率因數校正

  按照電流國際標準要求,如果照明設備的功率超過25W,就必須使用功率因數校正。這里有兩個原因:一個是白熾燈泡的特性像一個電阻,也就是說電壓和電阻是同相的。二是照明只消耗了總功率的10%~12%,一天要工作幾小時,相比于其他設備是相當長了。因此,如果照明電器沒有進行功率因數校正,就會導致電源網絡上的大量額外損失。

  因為多數設備的總功耗都在150W以下,所以臨界模式PFC是最經濟的解決方案。在這個模式下,通過控制電感的峰值電流,電流峰值就能同整流后的輸入電壓成比例。在空閑時間,電感電流回落到零,也就是電感的退磁會啟動下個開關周期。很容易看到電感的平均電流同輸入電壓成比例,這就是預期的結果。這里還有兩種不同的方法來控制電感的峰值電流。在FAN7527的電流模式下,整流后的線電壓會感應出參考電流,其能設定峰值電流的實際值。而在FAN7529的電壓或恒定工作時間模式下,開關設備的工作時間在一個或多個線性半周期中是保持恒定的。保持工作時間恒定,峰值開關電流又再次同輸入電壓成比例,并能從基本的微分式dI/dt =V/L中解出來。這兩種模式的共同點是輸出電壓的感應和穩壓。

圖3 轉換模式PFC的電壓模式控制應用框圖

  低價鎮流器有多種PFC拓撲,或用高感抗的鐵芯扼流圈平滑輸入電流,或棄用功率開關和控制器IC而使用電荷泵PFC。在這種拓撲中,半橋結構用來驅動熒光燈和PFC(見圖4)。因為燈泡的電源必須穩壓,且沒有額外的度數用來控制PFC,所以很難找到合適的L和C來形成良好的功率因數并將燈泡穩定在很寬的輸入電壓范圍內。這就是為什么這種解決方案很便宜,卻很少使用的緣故。

  電子鎮流器的另一個特點是能“完美”地預熱燈絲,使得燈泡的壽命完全不會依賴開關周期的次數,并能不閃爍地啟動和工作,在不同輸入電壓下保持恒定亮度和具有高功率因子。最后,對應急照明尤其重要的是,電子鎮流器能工作在直流輸入電壓下,即可采用電池供電。

圖4 帶電荷泵PFC的自振蕩鎮流器

  燈壽終(EOL)探測

  在氣體放電中,有個接近陰極的區域,放電電壓在此處下降很快,且沒有光發出,因此被叫做“陰極勢降”。根據電壓降和電流,這個區域會產生相當的功率耗散。隨著燈泡工作時間的增加,燈絲的發光性會變差,而陰極勢降也會增加。結果,接近陰極的功率耗散增大,這個區域也就會變得越來越熱。如果燈管的直徑很小,它就很容易被加熱到熔點。因此,燈管越細,對一種叫EOL特性的檢測就變得越來越重要。尤其是對于T5,這個特性是必不可缺的,它已被包含在用于熒光照明的歐洲安全標準中。

  通常情況下,FL是在交流模式下工作的,每個燈絲會有50%的時間成為陰極。幸運的是,兩個燈絲中的一個會首先喪失發射率,燈泡因而變得不均勻。這樣,監控整個燈泡的電壓或工作電壓/電流的對稱性就有可能探測到EOL。

  緊湊型熒光燈(CFL)的封閉性檢查

  CFL包含了一個集成在燈泡中的電子鎮流器。因為替代了白熾燈泡,當FL有缺陷時這些鎮流器就會被丟棄。這就是為什么一個CFL的電子器件不必要有FL鎮流器那樣長的壽命。此外,因為空間受限且PFC被棄用,功率也會受限??傊?,雖然有同樣的基本結構,CFL卻使用了與FL鎮流器有少許不同的逆變器電路。通常,多數CFL使用一個自振蕩半橋來替代控制IC(見圖5)。

圖5 典型自振蕩CFL鎮流器

  新的控制器像FAN7711和集成了功率MOSFET的高電壓柵級驅動器FAN7710有助于簡化CFL的設計,特別是設計者希望用新的集成控制器來獲得額外的性能和安全特性時。

圖6 FAN7710的典型應用


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