电子镇流器的设计论文36282.doc

电子镇流器的设计摘 要：本论文是关于电子镇流器的设计，利用MC33262和IR21531两个关键的芯片来完成电子镇流器的。通过对其特点、工作原理的分析，在器件上主要从磁性元件、功率开关晶体管、电容器三方面进行选择控制，并且又从铝热电容器、灯启动用电容器、EMI滤波电容器三方面进行研究。电子镇流器具有无噪声、无频闪、流明系数高、损耗低、节省材料、功率因数高等优点。关键词：功率因数 电子镇流器 逆变电路 EMIAbstractThis paper describes about the design of electronic ballasts. It uses MC33262 and IR21531 two key chips to complete the electronic ballast. By analyzing of the working principle of the circuit. In the device, mainly from the magnetic components, power switching transistors, capacitor control these three areas to choose, and from the aluminum heat capacitor, lamp start capacitors, EMI filter capacitors to study three aspects. It has the advantage of no stroboscopic , no noise high lumen coefficient, low loss ,material saving ,the high power factor and dimming.  字Keywords： Power Factor Correction Electronic Ballast Inverter Circuit EMI正文（30005000字）1 前言随着气体照明灯的广泛使用，为了保证光源稳定工作，镇流器是一个必不可少的辅助器件。电子镇流荧光灯行业持续大发展，产品水平不断提高，对于电子镇流器的研究和开发必然也会成为未来的发展趋势。本设计是关于电子镇流器的设计。开始介绍了电子镇流器的发展，然后了解其工作原理，再从内部着手起，分析器件和电路的选择和使用，最后制作。电子镇流器是一个将工频交流电源转换成高频交流电源的变换器，使用半导体电子元件，将直流或低频交流电压转换成高频交流电压，驱动低压气体放电灯等光源工作的电子控制装置。2 电子镇流器的概述早期气体放电光源使用的电感镇流器由于存在着明显的不足，本身功耗大，功率因数低，体积大，重量大等缺点， 限制了它进一步的发展。 随着电子技术的发展，电子器件的广泛使用，人们提出了一种新型的镇流器方式，即电子镇流器来代替原先的电感镇流器，电子镇流器与电感镇流器相比较，优点相当突出，具体如下：1）能耗低、效率高；2）发光效率高、光色柔和；3）重量轻、无闪烁及无噪声；4）装有预热启动功能的日光灯启动电子镇流器不会像装有电感镇流器的日光灯那样出现闪烁、多次反复启辉现象；5）具有高功率因数。3 电子镇流器的设计3.1 电子镇流器的工作原理图3-1 电子镇流器结构框图典型的荧光灯电子镇流器通常包括整流电路和逆变电路两大部分。高性能的电子镇流器一般采用单相PFC电路作为输入部分；逆变部分多用半桥电路，逆变电路的输出接灯电路网络。灯电路网络的作用是提供灯启动的高压、维持点燃后的灯电流在合适的范围。电子镇流器是一个将工频交流电源转换成高频交流电源的变换器，其基本工作原理是：工频电源经过射频干扰（RFI）滤波器，全波整流和无源（或有源）功率因数校正器（PPFC或APFC）后，变为直流电源。通过DC/AC变换器，输出20K-100KHZ的高频交流电源，加到与灯连接的LC串联谐振电路加热灯丝，同时在电容器上产生谐振高压，加在灯管两端，但使灯管"放电"变成"导通"状态，再进入发光状态，此时高频电感起限制电流增大的作用，保证灯管获得正常工作所需的灯电压和灯电流。为了提高可靠性，常增设各种保护电路，如异常保护，浪涌电压和电流保护，温度保护等等。3.2 电子镇流器的电路设计图3-2 高功率因数荧光灯电子镇流器原理图3.2.1 单相PFC电路设计根据前面的介绍，高性能电子镇流器的设计包含了单相PFC电路设计和逆变电路设计两大部分。本文介绍以MC33262和IR21531芯片为核心的电子镇流器的设计方法。 本节以MC33262为例介绍单相PFC电路的设计。MC33262系列PFC控制芯片为8脚双列直插塑封（亦有表面贴装封装）器件，内部含有自起动定时器、乘法器、零电流检测器、图腾柱驱动输出（0.5A）以及过压、欠压和过流等保护电路。MC33262系列PFC控制芯片的最大特点是采用临界导电控制模式，这种控制模式的特点是储能电感中的电流为零时功率管才能导通，这样就大大减小了开关的应力，同时也减小了二极管恢复时间引起的开关损耗，对二极管的恢复时间要求也较低，选用普通的快恢复二极管即可满足要求。如图3-3： 图3-3 MC33262内部结构简要框图电路主要包括：1）进线滤波电路 该部分电路的功能主要是抑制电力电子开关电路的高频共模、差模干扰（又称EMI滤波器），一般分为高频差模滤波器和共模滤波器两部分，如图3-2所示，L1L3、C1C5构成了EMI滤波器。2）桥式整流电路 整流电路输入电压为工频正弦，流过的电流也近似为工频正弦，输入功率因数约为1。因此，二极管VD1VD4承受的最高电压为输入最大相电压峰值。3）高频滤波电路C6起高频滤波作用，典型参数取值范围为1F2 F，功率小时可以适当减小。电容承受最高电压为输入最大相电压的峰值，以此可以确定电容C6参数，一般可以选择耐压为250VAC以上的薄膜电容或瓷片电容。4）MC33262芯片电路R3与C7构成了启动电路，启动时最大电源电流Iccmax=0.4mA，运行时Iccmax=12mA。考虑到电容C7的储能作用，因此流过R3的最大电流可以选在两者之间。R7与R8用于设定APFC输出电压，MC33262芯片电压反馈输入典型阈值VFB=2.5V，它由芯片内部提供的基准电压Vref确定。假定APFC输出电压为Ud，当VD6关断时，承受的反向电压约为Ud，以此可以确定二极管的反向重复峰值电压。由于APFC输出直流电流可以由输出功率方便确定，对于电子镇流器这样的小功率的应用，可以直接利用输出直流电流保留一定的余量来作为VD6的有效值电流，以此选择二极管的电流容量。以MC33262控制芯片构建的APFC电路属于变频工作，输入电压的变化范围不同，电路的工作频率变化范围也不同，其变化范围大致为25kHz50kHz，一般可以选择反向恢复时间不大于100ns的快恢复二极管。R4的作用是电感电流的过零检测，电感T1实际是一个反激式变压器。电流过零检测端的输入电压钳位范围为-0.7V6.7V，内部滞环比较器的两个阈值点典型值为1.4V和1.6V，当R4输入电压小于1.4V时，认为电感电流过零。R4的实际作用是对输入电压信号的限流，电流过零检测引脚的极限电流为-10mA50mA。 VD5的作用是为芯片工作提供持续的电源电流，由于R3与C7仅能提供芯片启动工作，持续工作的能量必须由VD5来提供，由于整个控制电路功率很小，因此VD5可以选择1A左右的快恢复二极管。R6是电流反馈采样电阻，C9、R5的作用是抑制电流波形中的尖刺。VT1关断时承受电压约为Ud，以此可以选择MOSFET的漏源击穿电压U(BR)DSS。依据MC33262芯片资料，电感T1初、次级的匝比在12左右。3.2.2 逆变电路与灯电路网络设计图3-4 IR21531控制芯片原理结构框本章介绍的逆变系统由IR21531为核心的半桥电路构成，IR21531是一种高压、高速、带有高、低端驱动的半桥驱动器。该器件前级可调振荡器的功能与大家熟知的555时基电路相似。驱动器的输出带有缓冲单元，可设定内部死区时间，防止桥路中的两只功率开关管直通。高、低端管子具有延时匹配，适用于占空比为50%的场合，该器件可驱动N沟道功率MOSFET 或IGBT，其内部电路原理结构框图如图所示。逆变电路的参数设计方法如下：1）R10与C11的选择IR21531芯片的推荐电源电流最大Iccmax=5mA，极限工作电流为25mA，因此R10的设置应使Vcc的电流在此范围之内，一般不大于10mA，C11为电源滤波电容，应选择高频性能好的电容，考虑到APFC电路输出电压具有100Hz的纹波，电容C11可选47F100F、25V高频特性好的电解电容，或电解电容并联高频性能较好的瓷片电容。2）R9与C7的选择R9与C7决定了逆变电路的工作频率，电子镇流器的工作频段一般设定在24kHz31kHz或42kHz90kHz之间，逆变电路通常可取30kHz或50kHz，以此可以选择R9与C7。3）VD7与C13的选择 VD7与C13的作用是为高端的MOSFET提供驱动电源，自举元件VD7与C13的选择可以参考IR公司相关设计指南。由于其承受的工作电压最高约为Ud，通常VD7可以选择1A、600V左右快恢复二极管。 C13一般可以选择几个微法几十微法的容量，耐压等级不低于25V。4）L5与C15的选择 逆变桥的负载等效电路和负载电压、电流波形如图3-5所示，假定荧光灯的参数为灯电压UH，灯电流IH，灯功率PH，逆变电路工作频率为f，灯负载近似为电阻，电流为对称指数曲线构成的波形，忽略谐波影响，以基波近似计算相关参数。图3-5 半桥逆变电路等效电路及波形C15的作用在于和L5产生谐振，当半桥工作频率接近L5、C15固有谐振频率时，C15两端形成很高的谐振电压击穿灯管点亮。通常可以选择L5、C15固有谐振频率为半桥电路工作频率的23倍。5）VT2与VT3的选择 对于半桥电路，MOSFET的最高电压为APFC输出电压，根据流过电感L2的波形和峰值，可以计算流过MOSFET的电流有效值。6）C14与R13的选择 C14的作用是隔离直流，要求。R13是灯丝预热专用PTC电阻，一般居里点温度在50ºC120ºC，耐压值不小于600V功耗为0.1W0.8W，适用灯管功率为5W80W，封装直径为3mm10mm。3.3 器件的选择分析1.磁性元件的考虑选择电子镇流器用磁性元件主要有EMI滤波用电感器、APFC升压电感器、脉冲变压器和扼流圈等几种。在磁芯的选用上，不仅要考虑磁性元件的尺寸，而且要考虑磁芯的特征。2.功率开关晶体管的选用指南电子镇流器中作为开关使用的晶体管主要有三只，其中两个在半桥逆变器中用作开关，一个在APFC预调整器中作为开关使用。由于APFC控制器IC全部是为驱动场控制器件而专门设计的，所以在APFC预调整器重作为开关使用的警惕管，必须选用功率MOSFET或IGBT。3.电容器的选择电容器在电子镇流器所需元件中占有较大的比例。在电子镇流器用电容器中，比较关键的是滤波用铝电解电容器和LC串联谐振电路中的灯启动用电容器，其次就是EMI滤波用电容器。1）铝电解电容器的选择电子镇流器整流滤波或APFC电路中的铝电解电容器，是影响电子镇流器可靠性与安全性的重要元件要求选用小型化长寿命中高压高温型电解电容器。2)灯启动用电容器的选择电子镇流器输出电路LC串联谐振网络中并联于灯管两端的启动电容器，在电子镇流器通电后，LC串联电路发生谐振，在电容两端产生高幅值的脉冲电压，将灯点火引燃。在灯点燃过程中，高频电流仍会通过启动电容器，只是数值远比灯电流小。对灯启动电容器的基本要求是：额定工作电压最低应为630V，并能承受1kV以上的峰值脉冲电压；交流损耗应尽可能小；具有良好的高温特性。3）EMI滤波用电容器的选择34 电子镇流器的使用要求3.4.1 电子镇流器的使用要求待添加的隐藏文字内容2为充分发挥镇流器的功能、性能优势,提高配套荧光灯的发光效率和寿命,使用中应注意以下几点：1.保证镇流器与荧光灯功率匹配；2.改善使用环境，尽可能降低镇流器温升；3.改善、提高工作电源质量；4.按规定安装、接线，引线尽可能短；5.按规定连接地线；6.注意电器连接安全，不出现松脱等现象；3.4.2 对其功能上的要求荧光灯的工作性能在很大程度上与相配套工作的电子镇流器性能有关，在使用中应使荧光灯的工作性能和电子镇流器的工作性能相匹配（如灯阻抗和灯的工作特性），以使荧光灯能工作在最佳状态，使用中电子镇流器应满足以下功能要求：1.给灯两端提供一个足够高的启动电压，使灯点火成功。2.在灯点火之后，为灯提供一个大小合适而且稳定的工作电流。3.必须将电流谐波含量控制在标准规定限制之内，以防止对电网造成严重污染，并获得高功率因数。4.必须具有较高的安全性与可靠性。以上这几项基本要求，在电子镇流器产品标准GB15143和GB/T15144中，都有明确的规定。对荧光灯交流电子镇流器的性能要求和安全要求，是设计和生产电子镇流器的指南，是电子镇流器必须具有和达到的基本条件。4 电子镇流器的组装与调试电子镇流器用元器件主要有二极管、开关晶体管，专用IC，电感元件（含脉冲变压器）、电容器和电阻器等几种。在焊接前需要进行100%的检查。不同元器件的失效机理不同，老化筛选的手段和条件也不相同。电子元器件经过筛选和分档后，可以进行焊接。一般使用电烙铁进行焊接。为保证焊接正确，不出现漏焊、虚焊，并避免损坏元器件。电子镇流器的调试是指焊接好的印制线路板经检查无误后，大多是在不装外壳的情况下，其输出端配接功率相应的灯管，输入端施加额定交流电源电压，通过调节电子镇流器中个别元件的参数，使灯管工作在额定状态。同时，将出现故障的电子镇流器剔出，以进行返修。独立式电子镇流器的安装，是指经过调试的线路板或调试后经过老化的线路板，按规定要求装入并固定在外壳中。电子镇流器的输入及输出端引出线或接线端都延伸到外壳外，并有明显的标识，以供用户装灯使用。整体式电子镇流器主要是指自镇流灯电子镇流器。整体式电子镇流器的安装，是指把已经调试过的线路板装入并固定在带有灯头的塑壳内，同时必须把镇流器的输入端引出线和输出端引出线分别焊接在灯头和灯管引出端子或引出线上。电子镇流器所有导线尤其是电源线必须具有良好的绝缘性能。电子镇流器塑料外壳及连接件，应采用耐高温的PBT阻燃塑料制作而成。若采用金属外壳，则应具有防腐蚀措施和良好的防腐蚀性能。电子镇流器的检修方法主要有外观检查法（即观察法）、万用表测量法和替代法3种。结 论实验结果表明, 电子镇流器具有其效率高、无频闪、无噪声、体积小等优点，此外，电子镇流器还能够实现调光，功率因数校正、同时驱动多支灯管等功能。具有很高的使用价值。综合上述，对镇流器应用者而言，可以根据电子系统用电情况，更切实际地提出所用某些特性参数。可以更多更系统地了解现今电子镇流器的设计方法，减少新产品的开发周期，做到事半功倍。参 考 文 献（不超过10篇）1 刘彤,陈传虞.电子镇流器的电磁兼容问题,电气技术,2007 2 陈传虞.再论电子镇流器的电磁兼容问题.中国照明电器.2007 3 毛兴武,李伟,刘军凯,邱振民.介绍主要的电子镇流器电路.中国照明电器. 1994(05)4 卓书芳,林国庆. 电子镇流器设计的几个关键问题. 电子世界, 2005(05)5 电子镇流器的预热启动J. 光源与照明, 19946 李全兴. 国内外电子镇流器的发展J. 江苏电机工程, 1995(01)7 葛葆. 现代电子镇流器的研究及展望J. 灯与照明, 1994(02)8 路秋生. 电子镇流器的发展与调光应用 J.灯与照明,2002(05)9 KeyueM. Semdley, Sloboan Cuk. One-cycle controlofswitching convertersJ.IEEE Trans on Power Electronics, 1995, 10(6): 625-633. 10 S.-P.Hsu，A.Brown， L.Rensink and R.D.MiddlebrookModeling and analysis of switching DC-to-DC converters in constant-frequency current-programmed modeIn Proc. IEEE Power Electron Spec.Conf., 1979，pp:284-301,481.