无极灯电子镇流器PDM调光技术研究

朱其伟， 林国庆， 杜志川

(福州大学电气工程与自动化学院， 福建 福州 350108)

无极灯电子镇流器PDM调光技术研究

朱其伟， 林国庆， 杜志川

(福州大学电气工程与自动化学院， 福建 福州 350108)

基于无极灯电气特性的分析，提出了一种适合于无极灯负载特性的分段脉冲密度调制(PDM)调光策略。PDM调光策略是在PDM调光周期内保持无极灯工作周期数不变，通过调节PDM关断时间控制输出功率。同时在PDM调光策略中引入了分段调光方式，根据不同调光阶段设置无极灯整数个工作周期作为PDM导通时间，在各自调光阶段通过控制PDM的关断时间实现调光周期占空比的平滑变化，实现了对无极灯的高精度、宽范围的平滑调光。采用DSPIC单片机实现数字化控制，具有控制电路简单、可靠性强等优点。实验结果验证了该控制策略的可行性。

无极灯； 脉冲密度调制； 调光； DSPIC单片机

1 引言

无极灯具有光色稳定、光衰小和寿命长等诸多优良特性[1]，已成为理想的新型光源之一，广泛应用于厂房、道路和广场等照明场所。无极灯没有电极，依靠电磁感应形成等离子气体放电而发光，其放电的“伏安”特性呈负阻特性，需要与电子镇流器配合才能正常工作。无极灯光源的调光控制既能达到照明节能的目的，又避免了有害的眩光，具有很大的节能降耗空间，是实现绿色照明的重要指标。

目前，国内外针对无极灯调光控制的研究主要集中在直流侧调光与逆变侧调光两个方面，其中直流侧调光又称调幅调光(PAM)，PAM调光以斩控调光为主，逆变侧调光以脉冲频率调制(PFM)和脉冲密度调制(PDM)为主。PAM调光方案考虑到无极灯负载特性，当斩控电路输出电压低于额定电压约50%时，可能引起灯负载电压过低造成灯闪烁甚至熄灭，因此调光范围较窄。PFM调光方案中，当变换器工作频率偏离谐振点一定值时，灯的放电性能将发生急剧变化，导致灯电流随频率变化也非常大，频率稍微增加，灯电流就急剧减小，可能导致灯闪烁或熄灭，其调光范围受限制，仅为60%～100%[2,3]。对于PDM调光方案，因调光时开关频率和灯负载电压幅值变化很小，是一种较理想的调光方案，但这种控制呈有级调光方式，调光不够平滑连续，调光精度不高，功率调节特性不理想[4,5]。因此，为解决上述方案存在的问题，本文提出一种适合于无极灯负载特性的分段连续PDM调光控制策略。利用DSPIC单片机实现数字化控制，该控制策略具有控制电路简单，调光平滑连续、调光范围宽和可靠性强等优点。

2 工作原理与特性分析

2.1 电路组成及工作原理

无极灯电子镇流器电路结构如图1所示，其由电压型半桥逆变电路、串并联谐振回路、耦合线圈和控制电路等组成。其中电压型半桥逆变电路由开关管Q1和Q2组成，串并联谐振回路由电感Lr、Lc和电容Cr、Cb等组成。耦合线圈由匝数为N的激励电感Lc和无极灯灯管等离子放电环组成。灯管等离子体放电环和若干匝的无极灯激励电感线圈之间可等效成一个耦合系数为k、互感为M的变压器，其中等离子体放电环相当于变压器副边的单匝绕组，激励电感线圈相当于变压器的原边绕组。控制电路由DSPIC单片机、采样电路和保护电路等组成。

图1 无极灯电子镇流器电路结构Fig.1 Diagram of electronic ballasts for electrodeless lamp

启动时，控制电路通过扫频寻找谐振回路固有谐振频率以产生点灯所需的高压脉冲，高压脉冲通过耦合线圈使灯管内的气体被电离，产生紫外线辐射，激发了灯管壁上的荧光物质，发出可见光，灯被点亮[6,7]。在点亮的一瞬间，灯电压瞬间从峰峰值数千伏降低到数百伏，同时灯电流也随之降低，无极灯进入正常工作状态。正常工作时，通过谐振电流在电感线圈中产生的电磁感应现象，电能被源源不断地传送到负载，无极灯持续发出可见光，实现灯体稳态发光[8]。

2.2 特性分析

利用等离子体放电环和激励电感线圈之间的耦合关系，把耦合线圈次级无极灯参数映射到耦合线圈初级，并进行等效变换，因耦合线圈的电阻值很小近似为0，耦合系数k近似为1，可以得到如图2所示的无极灯电子镇流器简化电路[9-11]。

图2 无极灯电子镇流器简化电路图Fig.2 Equivalent circuit of electronic ballasts for electrodeless lamp

图2中，uin和iin分别为谐振回路的输入电压和输入电流；Lr、Cr分别为谐振电感和谐振电容；Cb为隔直电容；Leq、Req分别为无极灯参数映射到耦合线圈初级的等效电感和等效电阻，可分别由式(1)和式(2)表示：

(1)

(2)

假设电容Cb>>Cr，忽略Cb在谐振回路中其容

抗的影响，则谐振电路等效阻抗Z(ω)和固有谐振f0分别为：

(3)

(4)

式中，f为变换器的工作频率。

谐振变换器输出有功功率为：

(5)

式中，Uin为谐振电路输入电压的有效值。

根据图2并结合式(3)和式(4)，可以推导出谐振回路的输出电压增益为：

(6)

由式(6)可得输出功率Po表达式：

(7)

当β=1，即f=f0时，输出功率取得最大值：

(8)

输出功率与开关频率的关系曲线如图3所示。

图3 输出功率与开关频率关系曲线图Fig.3 Curve of output power and switching frequency

3 新型调光策略原理与实现

3.1 调光原理分析

根据传统PDM控制原理，有[5]：

(9)

式中，D=M/N,表示脉冲密度调制占空比；N为在一个固定的工作时段T内总的驱动脉冲个数；M为一个工作时段T内正常工作驱动脉冲的个数。这种方式由于N是固定的，M为整数，因此呈有级调光，调光效果不连续、精度较差，调光范围也比较小。由式(9)可知，谐振频率f0处的输出功率Pf 0近似与D成正比。

基于现有调光方式原理的分析，本文提出的PDM调光方法原理如图4所示。

图4 PDM调光控制原理Fig.4 Schematic diagram for PDM dimming

图4中，Ts为电子镇流器工作周期，T为调光周期，ton、toff分别为调光周期内谐振变换单元正常工作时间和关断时间。考虑到避免音频噪声及无极灯工作频率，本文设置最小脉冲调制频率为工作频率的1/10，即调光周期T应满足T≤10Ts。在ton时间内半桥谐振变换器的两个开关管正常交替导通，谐振变换器输出完整的正弦交流电压；在toff时间内两个开关管同时关断，谐振变换器中的能量自由振荡衰减。针对一个调光周期T时间内，PDM调光控制的占空比D可表示为：

(10)

输出功率Po可表示为：

(11)

式中，ton取整数个工作周期，即ton=nTs,而调光周期

T满足T≤10Ts，可得：

(12)

式中，n为工作周期数。

由式(10)和式(12)可知，n越小，PDM调光范围越大，n=1时调光范围可达10%～100%。由式(11)可知，保持正常工作时间ton不变，调节开关管关断时间toff可以调节输出功率Po的大小，从而达到调光的目的。与控制工作周期数调光不同，关断时间toff可以连续调节，因而可以实现调光周期内占空比D及输出功率Po的平滑连续地变化，进而实现了平滑的宽范围调光。输出功率比Po/Pm与关断时间toff、工作周期数n的关系曲线如图5所示。

图5 输出功率比与关断时间关系曲线Fig.5 Curve of output power ratio and switch-off time

由图5可知，在各个工作周期数n下输出功率的变化过程都是连续平滑的。工作周期数n不同，调光范围也不同。工作周期数n越大调光范围越窄，n越小调光范围越宽，但是n较小时，在占空比较大区间内功率曲线较陡，功率变化较快，调光误差大。因此，仅仅保持工作周期数n不变，通过调节关断时间进行调光还不能兼顾调光范围和调光准确度。

为解决该问题，在PDM调光方式中引入分段调光方式，提出一种分段PDM调光控制策略，即由调光范围进行功率分段，并确定相应的工作周期数n，在同一个调光段中保持工作周期数不变，通过调节关断时间toff控制输出功率。

3.2 调光策略实现

综合考虑调光准确度及调光范围，选择4段调光功率段，如表1所示。根据所需不同的调光范围选取功率段，即选取不同的工作周期数n。

表1 PDM分段调光控制方法Tab.1 Piecewise control method of PDM dimming

输出功率在50%～100%之间变化时取n=5；输出功率在40%～50%之间变化时取n=4。以此类推, 通过调节关断时间toff实现调光控制。

由表1可得，引入分段方式后的输出功率比Po/Pm与关断时间toff的关系曲线如图6所示。调光程序框图如图7所示。

图6 PDM分段调光曲线Fig.6 Piecewise curve for proposed PDM dimming

图7 调光程序框图Fig.7 Diagram of dimming block

调光策略的实现过程如下：系统工作时，通过检测给定输出功率值，由图6判断该功率值所处功率段之后再依据图7步骤进行调光控制，即先设置相应导通周期数n值，调光周期占空比D范围为n/10～1。如果由采样的调光信号计算出的所需占空比D1

由于在同一个调节功率段，工作周期数n是定值，通过调节关断时间toff控制输出功率，解决了传统PDM调光时呈有级调功的不足，可以实现平滑、宽范围和高精度的调光。而且采用分段PDM调光方式时无极灯工作频率不变，调光过程半桥开关管均可以实现零电压软开关，开关损耗小，效率较高。

4 实验结果

为验证理论分析的合理性，对无极灯电子镇流器电路进行了实验验证。设计了一台基于DSPIC单片机的数控无极灯电子镇流器原理样机。工作频率f=230kHz，主要参数如下：满载输出功率Po=100W，PFC输出直流电压Udc=400V，谐振电容Cr=4.7nF，谐振电感Lr=250μH，等效电感Leq=154μH，死区时间td=280ns，隔直电容Cb=0.1μF。依据不同调光需求选择工作周期数n，通过调节变换器关断时间toff改变调光周期的占空比D来实现输出功率调节。以10个变换器工作周期作为一个PDM调制周期，实验结果如图8所示。

图8 不同占空比驱动波形及输出电压实验波形Fig.8 Drive and output voltage waveforms under different duty cycle

图8展示了不同调光占空比D及输出电压uo实验波形，其中VM1、VM2分别为半桥上下开关管电压驱动波形。

图8中工作周期Ts=4.35μs,PDM周期T不超过10Ts。不同的调光阶段PDM工作周期数不同。图8(a)中，占空比D=100%，灯满功率输出。图8(b)、图8(c)中，工作周期数n=5,关断时间分别为toff=2.63μs、toff=10.54μs，对应的调光比例分别为89.23%、67.35%。图8(d)、图8(e)中，工作周期数n=4,关断时间分别为toff=18.46μs、toff=10.54μs，对应的调光比例分别为48.52%、44.56%。图8(f)中，工作周期数n=3，关断时间为toff=26.81μs，对应的调光比例为32.74%。

由输出电压uo波形图可以看出，在开关管正常工作ton时间段，电子镇流器输出正常的近似正弦电压波形，而在开关管关断toff时间段，输出电压uo自然振荡衰减，从而使整个调光周期内电子镇流器输出电压的平均值降低，达到调节输出功率的目的。

分段PDM控制策略中输出功率Po随调光周期内关断时间toff变化曲线如图9所示。

结合图8的实验结果及图9实测的功率随关断时间toff变化曲线可知，设置不同的工作周期数n，改变开关管关断时间toff可以改变灯负载的输出功率Po，与理论分析一致，验证了本文所提新型调光控制策略的可行性。

5 结论

本文提出了一种分段PDM调光控制策略，通过固定谐振变换器工作周期数、调节其关断时间来调节输出功率的大小，实现了高精度平滑、宽范围的平滑调光，解决了传统PDM调光范围受限、呈现有级调光方式的问题，并且通过分段PDM控制，即不同功率段设置不同工作周期数，每一功率段内工作周期数固定，仅改变关断时间进行调光控制，提高了调光精度。最后研制了一台100W的数控无极灯电子镇流器调光样机，通过实验验证了本文所提新型调光控制策略的可行性。

[1] D O Wharmby. Electrodeless lamps for lighting: A review[J]. IEE Proceedings A - Science, Measurement and Technology, 1993, 140 (6): 465-473.

[2] C S Moo, H L Cheng, H C Yen, et al. Designing dimmable electronic ballast with frequency control [A]. 1999 IEEE Applied Power Electronics Conference [C]. Dollas, TX, USA, 1999. 2: 727-733.

[3] M F Da Silva, J P De Lopes, N B Chagas, et al. High power factor dimmable lighting system for electrodeless fluorescent lamp [A]. 2010 International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion [C]. Pisa, Italy, 2010. 379-384.

[4] Park Dong Hyun, Kim Hee Jun, Joe Kee Yun, et al. Zero-voltage-switching high frequency inverter for electrodeless fluorescent lamp [A]. IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference [C]. Fukuoka, Japan, 1998. 2: 2035-2040.

[5] H Sugimura, H W Lee, A M Eid, et al. Series load resonant tank high frequency inverter with ZCS-PDM control cheme for induction heated fixing roller [A]. IEEE International Conference on Industrial Technology [C]. 2005. 756-761.

[6] Chang Shien Lin, Wen Shyue Chen. 60 kHz electronic ballast for electrodeless fluorescent lamp [A]. 2009 IEEE International Conference on Industrial Technology [C]. Churchill, VIC, Australia, 2009. 1-6.

[7] Nerone L R. A novel ballast for electrodeless fluorescent lamps [A]. Industry Applications Conference [C]. Roma, Italy, 2000. 5: 3330-3337.

[8] H Fujita, H Akagi. Pulse-density-modulated power control of a 4 kW, 450 kHz Voltage Source Inverter for induction melting applications [J]. IEEE Transactions on Industry Applications,1996, 32 (2):114-123.

[9] X H Cao. Design orientated model and application of electronic ballasts for two toroidal ferrite coupled electrodeless lamps [A]. Twentieth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition[C]. 2005. 3: 1764-1769.

[10] 沈豫,林国庆,唐建山(Shen Yu, Lin Guoqing, Tang Jianshan).无极灯电子镇流器频率跟踪控制技术研究(Research on frequency tracking technology of electronic ballasts)[J].电工电能新技术(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2013, 32 (1): 52-55, 75.

[11] 唐雄民,余亚东,李思琪,等(Tang Xiongmin, Yu Yadong, Li Siqi, et al.).典型调节方式下负载谐振供电的DBD型臭氧发生器负载调节特性研究(Research on load regulation characteristics of DBD type ozone generator under typical adjustment strategies)[J].电工电能新技术(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy),2015, 34 (5): 54-58, 80.

Research on PDM dimming technology of electronic ballast for electrodeless fluorescent lamp

ZHU Qi-wei, LIN Guo-qing, DU Zhi-chuan

(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

Based on the analysis of the electrical model of electrodeless fluorescent lamp, a novel piecewise pulse density modulation (PDM) dimming strategy for electrodeless lamp is presented in the paper. The proposed control strategy is used for fine power control and regulation by just adjusting the PDM of switch-off time during the PDM dimming cycle. With the piecewise function, the proposed control strategy sets different dimming stages. According to the different dimming stages, it sets the duty cycle of electrodeless lamp as the switch-on time of PDM, then by adjusting the switch-off time of PDM to realize dimming smoothly and to reduce the dimming control error of electronic ballast in each stage. Ultimately, the proposed control strategy achieves a smooth, high-accuracy, wide-range dimming for electrodeless lamp. Besides, due to the use of DSPIC micro-controller, the control circuit is simple and the operation of the circuit is reliable. Finally, the experiment results have proved the feasibility of the proposed strategy.

electrodeless lamp; PDM; dimming; DSPIC micro-controller

2016-01-29

福建省科技计划项目(2015H0017)

朱其伟(1992-)， 男， 福建籍， 硕士研究生， 研究方向为电能的高频变换与控制技术； 林国庆(1966-)， 男， 福建籍， 教授， 博士生导师， 博士， 研究方向为电力电子变流技术。

TM46

A

1003-3076(2016)12-0059-06