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用在荧光照明中的功率电子器件

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来源: 作者: 2018-10-29 10:13:28

用在荧光照明中的功率电子器件

导读:

为了降耗节能,用荧光灯、LED或HID替代白炽灯的工作正在全世界范围内进行,并取得了巨大进展。举例来说,电子变压器已用来驱动低电压卤素灯,用于荧光灯的磁性镇流器已经被电子镇流器所取代,而LED已经使用高效的开关电源。

为了降耗节能,用荧光灯、LED或HID替代白炽灯的工作正在全世界范围内进行,并取得了巨大进展。举例来说,电子变压器已用来驱动低电压卤素灯,用于荧光灯的磁性镇流器已经被电子镇流器所取代,而LED已经使用高效的开关电源。其中,替换50/60Hz铁芯变压器或镇流器的主要原因是为了提升效率。不过,新型电子镇流器虽能带来更高的性能和更小的质量或体积,但价格仍偏贵。然而,取决于具体应用,特别是考虑到电子镇流器能降低能耗的时候,用其取代磁性镇流器的投资回报时间就不会超过一年。  对荧光灯照明和电子镇流器的封闭检查  经典的磁性镇流器和启辉器能完满执行荧光灯的工作要求(见图1)。最初,起辉器S1关闭,电流流经电感L1和灯丝FL。当起辉器经一段时间启动后,灯丝已处于高温状态,电流的急剧变化会导致电感产生高电压并通过灯泡。当灯被点亮后,电感的感抗就会限制放电电流。    图1 磁性镇流器原理  磁性镇流器的缺点  这个简单镇流器的一些缺点是明显的,而另一些则不是。首先,启辉器会电压零交叉时启动。此时的电流比较小,启动电压也是如此,灯泡也许不会启动。整个系统效率较低,而这要归结于两个原因。首先是价格的风险,电感自身的高损耗是公认的。第二是离子电压零交叉时要重新结合,而在下个半周期中又要被离子化,后面的行为会导致可观的能量损失。  电子镇流器的优点  电子镇流器的一个主要优点是其有很高的频率(一般为30~60kHz)。由于此高频率,离子的重组合不会发生,灯泡的效率会增加10%(相比于工作在50/60Hz时)。此外,电子镇流器本身的设计效率要高于90%,当同FL一起工作时,能轻易节省30%的能量。  在欧洲最流行的FL镇流器拓扑是电压馈电系列共振半桥(见图2)。    图2 FL镇流器的结构框图  半桥能被不同的频率驱动,占空比约为50%。在启动阶段,只要FL不被点燃,镇流器控制器就会产生高于L1/C1的共振频率。于是,大电流流经灯丝将其加热到预期的温度。当经过一段决定于外部元件的时间后,控制器开始降低工作频率以达共振。其结果,通过灯泡的高电压产生了,灯泡被点亮。点亮后,FL的阻抗会对共振电路进行抑制,使灯泡上的电压接近工作电压。在许多应用中,灯泡电流被直接或间接地感应到,工作频率会被调整到预置点。而只要工作频率超过L1/C1的共振频率,MOSFET就会进行软开关,在EMI被降低的同时,开关损失可忽略不计。  带有快速恢复二极管的MOSFET会非常适合如图1那样的应用。集成快速恢复体二极管的500V和600V Q-FETTM,以及600V SuperFETTM都属这种类型。因为上部MOSFET的栅极需要高电压驱动,所以高压侧的栅极驱动是必须的。高电压驱动器芯片,像飞兆公司的FAN7380、FAN7383、FAN7384以及FAN7382都符合这些要求并具有很好噪声免疫能力。此外,还有具备安全和控制功能的纯镇流器驱动器FAN7544和集成高压栅级驱动的控制器FAN7532。  功率因数校正  按照电流国际标准要求,如果照明设备的功率超过25W,就必须使用功率因数校正。这里有两个原因:一个是白炽灯泡的特性像一个电阻,也就是说电压和电阻是同相的。二是照明只消耗了总功率的10%~12%,一天要工作几小时,相比于其他设备是相当长了。因此,如果照明电器没有进行功率因数校正,就会导致电源络上的大量额外损失。  因为多数设备的总功耗都在150W以下,所以临界模式PFC是最经济的解决方案。在这个模式下,通过控制电感的峰值电流,电流峰值就能同整流后的输入电压成比例。在空闲时间,电感电流回落到零,也就是电感的退磁会启动下个开关周期。很容易看到电感的平均电流同输入电压成比例,这就是预期的结果。这里还有两种不同的方法来控制电感的峰值电流。在FAN7527的电流模式下,整流后的线电压会感应出参考电流,其能设定峰值电流的实际值。而在FAN7529的电压或恒定工作时间模式下,开关设备的工作时间在一个或多个线性半周期中是保持恒定的。保持工作时间恒定,峰值开关电流又再次同输入电压成比例,并能从基本的微分式dI/dt =V/L中解出来。这两种模式的共同点是输出电压的感应和稳压。    图3 转换模式PFC的电压模式控制应用框图  低价镇流器有多种PFC拓扑,或用高感抗的铁芯扼流圈平滑输入电流,或弃用功率开关和控制器IC而使用电荷泵PFC。在这种拓扑中,半桥结构用来驱动荧光灯和PFC(见图4)。因为灯泡的电源必须稳压,且没有额外的度数用来控制PFC,所以很难找到合适的L和C来形成良好的功率因数并将灯泡稳定在很宽的输入电压范围内。这就是为什么这种解决方案很便宜,却很少使用的缘故。  电子镇流器的另一个特点是能完美地预热灯丝,使得灯泡的寿命完全不会依赖开关周期的次数,并能不闪烁地启动和工作,在不同输入电压下保持恒定亮度和具有高功率因子。最后,对应急照明尤其重要的是,电子镇流器能工作在直流输入电压下,即可采用电池供电。    图4 带电荷泵PFC的自振荡镇流器

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