什么是無極燈鎮(zhèn)流器

引言

無極燈是Promise Light（electrodeless lamp）高頻電磁等離子體放電燈的簡稱，由燈泡/管、耦合器（內外置）、電子鎮(zhèn)流器（高、低頻）三部分組成。鎮(zhèn)流器起電頻轉換和驅動作用，耦合器（電磁轉換）與燈泡/管是鎮(zhèn)流器的負載。這類燈的壽命非常長，可達到6-10 萬小時以上。

　　無極燈鎮(zhèn)流器是將85V～265V 50Hz/60Hz 的電網電能高可靠、高效率地轉換為驅動燈泡/管所需的高頻（180-250KHz；2-3MHz）交流形式電能。燈泡/管的特性決定了整個系統(tǒng)的壽命主要取決于高頻電子鎮(zhèn)流器高可靠、高穩(wěn)定的運行壽命的技術、材料保證。

　　1 無極燈的燈泡/管特性

　　1.1 負阻特性

　　即燈管等效阻抗隨溫度T 的上升，阻抗呈下降狀態(tài)，若鎮(zhèn)流器無限流功能，燈管功率將不斷上升直至電路或燈管損壞。

　　1.2 啟動特性

　　啟動時需高達數(shù)千伏特的電壓和足夠的功率，才能使燈管氣體由高阻狀態(tài)進入工作時的額定等效阻抗（從電特性對燈管工作的分析）。

　　1.3 溫度特性

　　即環(huán)境溫度的不同，使燈管的初始等效阻抗值相差巨大，這一特征對燈管在低溫下啟動有明顯影響。

　　2 燈泡/管和驅動供電

　　與普通日光燈管/HID 的方法一樣，負載與電源之間串接一只電感器，該電感器即鎮(zhèn)流器電感或則叫扼流電感，電感器穩(wěn)定負載電流的原理是一種負反饋調節(jié)，普通工頻情況下，為達到鎮(zhèn)流器所需的電感量，其體積大，重量重，為減小體積和重量，則要提高工作頻率，因而引入了變頻器，這就是節(jié)能燈、無極燈電子鎮(zhèn)流器。因變頻以及提高功率因數(shù)又帶來了電磁干擾問題，又不得不增加電路來解決電磁干擾，為實現(xiàn)鎮(zhèn)流，把電路搞得復雜與龐大。

　　啟動問題，普通日光燈/HID 的啟動是利用鎮(zhèn)流器電感反向沖擊電壓與電源電壓疊加實現(xiàn)高壓啟動。無極燈電子鎮(zhèn)流器則利用諧振原理產生高壓實現(xiàn)啟動。

　　啟動時除了高壓要求之外，另一個重要參數(shù)即功率，只有啟動電流達到燈泡/管啟動功率要求，方可有效啟動燈泡/管。

　　燈泡/管的第三個特征，就是因溫度下降，燈管初始等效阻抗大幅提高，使得在相同諧振電壓情況下，啟動電流相對減少，影響燈管的啟動，造成啟動困難。

　　此外，無極燈與燈具的恰當配合保證良好的散熱效果，也是充分發(fā)揮無極燈優(yōu)良性能的一個很重要的部分。

　　3 無極燈鎮(zhèn)流器技術重點研究問題

　　3.1 節(jié)能效率

　　變頻過程中的效率問題鎮(zhèn)流器效率的高低，直接影響無極燈是否高效節(jié)能。

　　在研究解決效率問題中，本人認為，在保障電路正常、安全工作的原則下，設計電路時：一是要盡可能減化電路；二是要系統(tǒng)所有參數(shù)以最優(yōu)為目標（杜絕短板效應）、并以降耗為第一原則，成本考慮放在其次。

　　鎮(zhèn)流電路中的元件都是物理元件，只要工作必然產生損耗，而不同的元件其產生損耗的性質是不一樣的，可分為兩類：一類為固定損耗類，例如二極管、電阻、導線等。此類元件的參數(shù)設計簡單，只需根據(jù)電路原理、功率、耐壓等一些基本參數(shù)要求，精選元件就能實現(xiàn)最低能量損耗的電路設計。第二類為可變損耗類，如場效應管（三極管）、電容、電感，此類元件的參數(shù)設計是降耗的關鍵，設計得好功耗低、設計不好功耗大幅上升。設計中不僅要考慮單個元件的參數(shù)，而且要考慮電路的整體優(yōu)化，是一項系統(tǒng)性很強的工作。

　　使用場效應管作開關管時，驅動性能是影響場管功耗的重要原因，通常會設計一些電路來保證驅動波形的上升速率和下降速率，使波形陡峭。例如開通時的加速電路、關閉時抽取貯存電荷等等。測試部分廠家的產品，發(fā)現(xiàn)這樣一種現(xiàn)象，有的鎮(zhèn)流器波形雖好，但功耗仍較大、場管溫度也較高，時有燒管現(xiàn)象；有的產品波形雖一般，功耗并非想像中那麼差、溫度也不很高，故障現(xiàn)象也不明顯。如果只從驅動上分析，解釋不通這種現(xiàn)象。但把驅動、電路、負載特性、電源供電、結合電路一起作理論分析，即系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化（杜絕短板效應），就證明這種現(xiàn)象存在的合理性。

　　在設計、生產鎮(zhèn)流器時是按優(yōu)化電路模型計算、調整各個部分的參數(shù)，使產品自身功耗下降、而可靠性、穩(wěn)定性就得以提高。

　　一般只考慮了電路功能的需要，而較少在降耗上下功夫。這些元件在理論狀態(tài)下只進行能量交換而耗能不多，但由于實際上參數(shù)設計、材料選取、制作工藝的區(qū)別，最終出現(xiàn)耗能相差甚遠，而這正是大功率無極燈鎮(zhèn)流器設計生產中值得所有廠家深入研究的一環(huán)。

　　3.2 諧波干擾

　　電磁兼容與諧波抑制問題除了基波外，包含各種畸變的輸入電流還含有很豐富的高次諧波分量，這些過高的諧波分量會對公共電網造成嚴重影響，從而形成諧波干擾。這種周期性尖脈沖電流更窄，會使直流脈動電壓起伏變大，使燈電流的波峰系數(shù)變大，對燈泡/管極為不利。同樣，燈的光通量起伏也加大，對人的視力造成較大損害。直流脈動電壓起伏變大也會使得開關管不能處于最佳工作狀態(tài)，容易發(fā)熱而導致?lián)p壞，鎮(zhèn)流器的使用壽命將大大縮短，得不償失。

　　抑制諧波的改進措施就是盡可能提高其功率因數(shù)，減小輸入電流的諧波失真。要達到這個目的，就必須提高整流管的導通率（即延長輸入電流的導通時間），使得電源電流的波形接近電壓的正弦波，減小電流的波形失真；同時又要保證電源濾波電容能平滑地向負載連續(xù)供電（即減小輸入電流與輸入電壓間的相位差）。

　　這就是通常所說的功率因數(shù)校正電路工作原理。功率校正電路分無源校正（PPFC）和有源校正（APFC）。目前，小功率一體化無極燈電子鎮(zhèn)流產品限于成本價格因素，大都采用改進型逐流電路組成的無源諧波抑制電路。這種技術發(fā)展得比較成熟，只要調試得當，鎮(zhèn)流器的諧波含量基本可以得到有效的抑制，功率因數(shù)可達到0.85-0.90。但這種電路存在調試難度高，在大量生產時難以控制產品質量的問題，而且基本上無法同時滿足電磁兼容標準和性能標準要求。而有源校正則是采用三極管等分立有源器件組成的諧波抑制電路，或采用專用集成電路的諧波抑制電路，功率因數(shù)一般都可達到0.95-0.99 以上。而且后者調試要比前者簡單，可靠性更高。

　　無極燈EMC 干擾主要是輻射干擾和傳導干擾兩部分，輻射干擾指向空間發(fā)射電磁波，也叫射頻干擾，傳導干擾指對電網的干擾；其主要來源于功率因數(shù)校正、變頻輸出、電路耦合等幾個地方。由于無極燈工作頻率極高，輸出功率大，功率管在開關過程中的硬開關特性會產生大量的奇次諧波與偶次諧波干擾，相對來講變頻輸出（鎮(zhèn)流器工作頻率）的干擾占大部分，在EMC 檢測中體現(xiàn)出來的就是工作頻率與它的倍數(shù)頻率附近的干擾明顯增大，隨著鎮(zhèn)流器功率的增大，干擾強度增大，針對這個問題必須從輸入級的濾波電路、功率因數(shù)校正電路、諧振電路上做出相應的處理。高頻電路的PCB 設計和工藝、結構對EMC 至關重要，重要元器件的位置、走線、接地、散熱等都要認真分析，慎重放置。在經過對電子鎮(zhèn)流器進行傳導、輻射測試的大量數(shù)據(jù)分析后知道，電子鎮(zhèn)流器產品所產生的電磁干擾中，在9~150KHz 頻率范圍主要以差模干擾為主；150KHz~30MHz 頻率范圍主要以是共模干擾為主。找到干擾源，又知道其產生干擾原因，只需采取相應措施加以抑制其干擾，使通過該條款的考核并非難事。

　　除了在鎮(zhèn)流器的輸入端（電源端）加串ＥＭＩ濾波器外，還可以在鎮(zhèn)流器產生干擾的部件上下功夫。從前面的分析知道，開關管在其導通和斷開瞬間會產生幅度較高的脈沖電壓或電流，只要把這個脈沖電壓或電流消除或減弱即可降低鎮(zhèn)流器的干擾電壓?？煞謩e在開關管基極和發(fā)射極之間并一個瓷片電容，降低晶體管的深飽和，有助于降低脈沖電壓的幅度，而且還可防止開關管的共態(tài)導通，不致于損壞開關管；或在開關管集電極和發(fā)射極之間加入阻尼網絡（Ｄ、Ｒ、Ｃ），以吸收其通斷間產生的浪涌電流，對開關管起保護作用，并能有效降低干擾強度。

　　3.3 工作頻率

　　諧振電路的參數(shù)設計諧振電路由鎮(zhèn)流電感、耦合電感、諧振電容等構成，在通電時產生諧振電壓，燈亮后鎮(zhèn)流電感與耦合器構成穩(wěn)定的電壓分配關系。在電路設計中要考慮的因素有工作頻率、諧振頻率、功率控制、諧振電壓等參數(shù)在合理的范圍內。

　　無極燈鎮(zhèn)流器的工作頻率，目前有2.65MHz（自激震蕩驅動）與250KHz（它激震蕩驅動）兩種，一般為固定頻率。當頻率、燈泡/管功率確定后由燈泡/管功率向前反推設計參數(shù)。設計諧振參數(shù)時，可設燈管為開路狀態(tài)，鎮(zhèn)流器電感、耦合器電感、電容形成一串并聯(lián)（LCC）電路。其中f0 為諧振頻率，L1 為鎮(zhèn)流電感，L2 為耦合電感，C2 為諧振電容。通常取L1，L2 基本相等，根據(jù)燈管功率、燈管溫度等，耦合器線徑、匝數(shù)、磁環(huán)參數(shù)、電感量即可確定。耦合器與燈泡/管相似變壓器關系，其初級為耦合器，次級為燈泡/管，次級電流將改變初級電感量，使諧振電路參數(shù)發(fā)生改變，f0 偏移，鎮(zhèn)流器則以恒定頻率工作在感性負載狀態(tài)（即輸出頻率略高于驅動頻率）。鎮(zhèn)流電感的負反饋的作用可調節(jié)燈泡/管功率。適當提高諧振電壓和反饋電壓幅度，以利于在低溫啟動時留有充足的余量。

　　4 異常情況保護

　　異常情況下的保護無極燈的異常情況保護主要有幾方面：高溫保護、過電壓保護、工作中保護、啟動保護。

　　由于無極燈電子鎮(zhèn)流器為電子元器件，鎮(zhèn)流器長時間在超過70 度以上工作時，容性元件的使用壽命會大大降低，故而在工作中必須設置高溫保護電路來保證鎮(zhèn)流器的壽命與穩(wěn)定性。

　　在雷擊等異常情況下，電網供電電壓會產生極短時間的高壓浪涌，若沒有有效的電路把這種瞬間的能量導出電路以外，會對鎮(zhèn)流器產生永久性的破壞，根據(jù)浪涌等級的不同，需要設置不同強度的保護電路。

　　工作中保護是指在燈管正常點亮之后，在管殼破裂、漏氣、功率激增的異常情況的保護，這種異常情況下，若保護電路反應時間過長或者沒有保護的話，鎮(zhèn)流器會在極短時間之內損壞。

　　啟動保護是指燈管因漏氣、低溫等情況下點火失敗時，電路處于容性或弱感性狀態(tài)下時對電路的保護，這種保護十分關鍵，大多數(shù)無極燈的損壞由于這一現(xiàn)象引起，這種情況下跟據(jù)不同的情況須采取多重保護的辦法。

　　無極燈的異常保護一般分非鎖定和鎖定兩種方式；非鎖定方式在保護過程中，開關管仍然處于工作狀態(tài)，保護狀態(tài)不斷啟動，如保護狀態(tài)時間較長，容易造成功率開關管或保護開關管的損壞。鎖定方式的開關管在保護過程是不工作的，電路支持保護狀態(tài)一定的時間（國標要求大于50 秒），重啟電源開關工作。

　　5 結語

　　分析無極燈的這幾個環(huán)節(jié)，可見無極燈鎮(zhèn)流器要解決的技術問題為：變頻、高轉換效率、EMC 濾波、諧振電路設計、異常情況下的保護等幾個部分。