电流馈电式半桥荧光灯镇流器的建模及设计

王青松, 程明

(东南大学电气工程学院,江苏南京210096)

电流馈电式半桥荧光灯镇流器的建模及设计

王青松, 程明

(东南大学电气工程学院,江苏南京210096)

针对电流馈电式半桥荧光灯电子镇流器的产品设计过程无理论可循、仅仅依靠工程经验试凑参数的问题,探讨了镇流器稳态运行时影响灯管寿命的关键因素,基于等效分析法和相量法建立了拓扑的等效模型并推导了相关公式,提出了电路中关键元件参数的理论计算方法。在不改变电路拓扑的情况下,通过优化设计电路参数,可在保证系统原有性能的基础上进一步减小灯电流的波峰系数(crest factor,CF),通过仿真及实验验证了所建模型及理论计算的准确性,最后通过对比说明经建模后得出的新参数使得灯电流的CF低于原设计,从而有效缓解灯电流对灯管寿命的影响,提高了系统的可靠性。

拓扑建模;参数设计;荧光灯;电子镇流器;电流馈电式;波峰系数

0 引 言

荧光灯［1］因高效节能正在取代传统的白炽灯,在国民经济的各行各业获得了广泛应用。电子镇流器［2-4］作为荧光灯的驱动器,其性能的优劣不仅直接影响荧光灯的照明效果,而且影响荧光灯的寿命。当前,电流馈电式半桥荧光灯电子镇流器以其成本低以及安全的隔离输出等优势被国内外众多厂商所采用［5］。然而,随着大量产品投放市场,电子镇流失效所导致的灯具损坏问题日益凸显,失效的元件主要是主开关管、续流电容和磁元件等。更为严重的是,电子镇流器参数设计不合理还会影响灯管使用寿命,导致使用成本增加,出现了荧光灯“省电不省钱”现象,这在一定程度上阻碍了荧光灯及电子镇流器的推广使用。有关厂商虽然对产品不断进行改进,但始终没能从根本上解决这一问题。究其原因,目前主要依靠经验来设计选择电路参数,缺少深人的理论分析和精细的设计。国内已见有关该拓扑的介绍文献［1］,但国内外还未见有关建模的文献。因此,深人研究并构建该拓扑的数学模型、分析其工作模式,从而进行电路的优化设计,显得迫在眉睫。

本文以驱动F32T8［6-7］灯管的无预热型电子镇流器的主拓扑［8］为研究对象,对其进行理论建模和仿真分析,并进行了实验验证。在此基础上,给出了关键参数的计算公式,为下一步实现对该拓扑的优化改进奠定了理论基础。

1 拓扑主电路介绍

如图1所示为电流馈电式半桥主拓扑,T2是馈流电感,共两个绕组,激磁电感量为Lm,匝比为1:1; T4为输出变压器,原边电感量为Lr,原边匝数为Np,与电容C7并联,一组副边绕组与电容Co和灯负载(Rlamp)的串联组合并联,匝数为Ns;D1、D2分别与Q1、Q2并联,主要作用是续流;C8与两个开关管并联,也起缓冲续流作用,整个电路的具体工作过程详见参考文献［1］,本文沿用参考文献［1］中元件的符号,比如T2、T4、C7、C8等。

图1 电流馈电式半桥拓扑图Fig.1 Topology of current fed half bridge

2 稳态运行时影响灯管寿命的因素

当电子镇流器稳态运行时,影响灯管寿命的主要因素是灯电流波峰系数(crest factor,CF)。CF定义为灯电流的峰峰值的一半再除以有效值。如果灯电流中没有高次谐波,那么CF应该等于或略大于1.414。UL935标准强制规定CF值小于1.7。实际设计电路时必须留有余量,CF的理论值一般设计在1.65以下,否则灯电流的毛刺会使得峰峰值增大而导致CF值超出1.7,这种问题特别会出现在带多种负载的电子镇流器中。以文中所举4灯F32T8并联负载为例,测得现有投人北美市场的一款镇流器的参数如表1。

表1 现有电子镇流器工作参数值Table 1 Performances of existing electric ballasts

由表1可知,当输人电压为277V时,每个灯的CF都接近1.7,这种设计显然会影响到灯管的使用寿命。

3 等效模型的建立

主电路是典型的并联谐振电路。T4原边绕组与C7等电容组成了并联Tank,电路工作在准谐振状态,能量通过T4的副边传递给灯负载。直流母线电压Udc经过T2后转换成电流输人Tank,不断补充Tank在工作过程中的能量损耗,使得振荡能不停地维持下去［1］。本文的分析基于如下假设:T2和T4都是全藕合变压器,原边激磁电感量分别为Lm和Lr,且Lm≫Lr。若将D1和Q1视为半桥电路的上桥臂,D2和Q2视为下桥臂,则任意时刻上、下桥臂同时只能有一组处于通态,否则将会引起短路故障。因而,建模的思路可以基于上、下桥臂的错时导通建立分阶段的等效电路模型。本文中下桥臂导通且上桥臂关断定义为阶段1,上桥臂导通且下桥臂关断则定义为阶段2。

3.1 Rlamp与Co的等效

对图1中节点A和B之间的电路进行等效,利用全藕合变压器的特性将变压器T4副边所带的负载Co和Rlamp这算到原边,等效过程如图2。

图2 Rlamp与Co的等效过程Fig.2 Equivalent circuit of Rlampand Co

图2 中

3.2 阶段1等效电路模型的建立

阶段1的电路模型如图3,上臂关断且下臂导通。以下利用等效的思想建立除3.1所示电路之外的等效电路模型(主要包括电源、T2、Q1、Q2、D1、D2和C8)。利用相量分析法建模,具体过程如图4,其中U·oc为AB端口的开路电压相量,设此时AB端口的等效戴维南阻抗为Z0。

图3 阶段1的情形Fig.3 Scenario of phase1

图4 阶段1时关键元件的等效相量模型等效过程Fig.4 Equivalent phasor model of key com ponents at phase1

图4 (b)中,可以计算出AB端的等效戴维南阻抗和开路电压分别如式(2)和式(3)。

同理可以计算出图4(c)中AB端的开路电压和等效阻抗,结果与图4(b)完全一致,根据等效的定义可以看出图4(b)与图4(c)的电路相互等效。故可得出阶段1的等效电路模型如图5所示。

图5 阶段1的等效电路模型Fig.5 Equivalent circuit of phase 1

3.3 阶段2等效电路模型的建立

同理可得阶段2等效电路模型如图6所示。

图6 阶段2的等效电路模型Fig.6 Equivalent circuit of phase 2

3.4 整个主电路拓扑的等效电路模型

当T2的激磁电感量Lm足够大时,电压源经过大电感之后转换成电流注人Tank,利用诺顿定理对图5和图6中的电路进一步化简可得阶段1和阶段2总的电路模型如图7。

图7 电流馈电式半桥拓扑的等效电路模型Fig.7 Equivalent circuit of current fed half bridge topology

3.5 关键参数计算

根据所建模型可以得出电路参数的计算公式如式(4)～式(7)。

以4灯F32T8并联负载为例,设计要求:总负载功率Plamp为110W,电路工作频率f为42 kHz,变压器T4副边输出电压有效值Uovc为587 V。已知: Lm//Lr≈Lr;前级PFC输出Udc为460 V;灯的特性曲线显示当Ilamp为183mA时,灯电压Ulamp约为150 V,此时单灯功率约为27.5W。假设每个灯的工作状态相同,根据经验首先作如下设计:T4副边与原边的匝比为2.3;C和C的值分别选为4.7 nF和1 nF,78镇流电容值为1.2 nF。根据式(4)～式(7)可算出Lr及关键元件电压理论上的有效值:Lr=408μH, UC7RMS=255 V,UC8RMS=511 V。

3.6 模型仿真及实验验证

基于上述参数的仿真结果如图8。C7和C8的电压有效值分别为255 V和511 V,与理论计算一致,灯电流的有效值为188 mA,仿真结果比理论值大了5mA,其主要原因是仿真电路中用纯电阻代替了实际的灯负载。图9的实验结果也与理论计算值相当。仿真与实验结果验证了本文所建模型的准确性。

图8 稳态时电容C7、C8电压以及灯电流仿真波形Fig.8 Simulation waveform s of voltage on C7and C8and lam p current

图9 稳态时灯电流以及电容C8、C7电压实验波形Fig.9 Experimentalwaveform s of lam p current and voltage on C8and C7

3.7 拓扑建模前后的CF值对比

在相同的条件下,参数的重新设计主要是针对T4原边电感量Lr所进行的。原设计的Lr根据经验选取值为385μH,重新设计的参数为408μH。当然,匝比不变的情况下,T4副边的电感量也随之变化。图10是原设计中灯电流的CF值,图11是拓扑建模后的CF值。

图10 原设计中灯电流的CF值Fig.10 CF value of lamp current in existing design

图11 拓扑建模后的CF值Fig.11 CF value of lamp current after topology modeling

由图10和图11可知,原设计中的CF值为1.67,而拓扑建模后的CF值为1.63。前者的裕量很小,只要稍微有点干扰,灯管实际工作时的CF就会达到或超过1.7,而后者明显小于经验值1.65,满足要求,实验结果如表2,与仿真结果一致,这样的CF值可以有效缓解灯管寿命短的问题。

表2 拓扑建模后的电子镇流器工作参数值Table 2 Performances of electric ballasts after topology modeling

注意,表2中的Crest Factor-1～4分别表示4个灯管的CF值,每个灯管的测量顺序是随机的。

4 结 论

本文深人研究了传统的电流馈电式拓扑结构。文中运用正弦稳态电路的阻抗变换法、变压器理论、相量法［6］等相关知识,采用阶段分析法对拓扑建立了等效工作模型,在此基础上得出了主电路中关键元件的参数计算方法,最后通过仿真及实验验证了所建模型和参数计算方法的准确性,通过参数的重新设计降低了灯电流的CF,能在一定程度上延长灯管的使用寿命。本文的成果对于深人理解电流馈电式拓扑有很大帮助,为进一步研究和利用此拓扑提供了理论依据,并为实现对此拓扑的优化改进奠定了坚实的基础。

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(编辑:刘琳琳)

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

国家自然科学基金(51320105002);教育部博士点基金(20120092130008)

王青松(1982—),男,博士研究生,研究方向为电子镇流器、电流型多电平、新能源发电控制技术等;程 明(1960—),男,教授,博士生导师,研究方向为电机与控制、新能源发电、电动汽车等。

王青松