阿拉丁广州镇流器终稿V10.ppt

电子镇流器相关技术探讨,复旦大学信息学院光源与照明工程系复旦大学电光源研究所,报告人：孙耀杰 博士 副教授 副主任副所长,镇流器的一些基本问题,气体放电光源镇流器最基本电特性,1.需要一个启动电压,以击穿气体产生放电;启辉器 触发器2.负阻特性,需要串联镇流器才能稳定工作;3.其它特性：灯参数匹配、电磁兼容、保护、调光、灌封、集成化、高可靠设计（MBFT）、预热,电子镇流器的优点：频率对电感大小的影响,电源频率:50Hz,电源频率:20.000100.000Hz Z=jwL,电子镇流器拓扑结构,滤波,整流,PFC,逆变,LC,AC,AC,DC,DC,AC,PFC,线路,逆变,光源,电子镇流器的基本原理,频率为:50Hz,整流滤波部份:把交流电变成直流电,频率为:20K-100KHz,逆变部分:把直流电变成高频交流电,输出点灯,AC/DC,DC/AC,采用数字调光电子镇流器,有中央控制，实现光控，时控等各种智能控制，可以和控制网络相联，组成智能控制系统，数字调光电子镇流器的优点：有报道在世界多个国家的案例节电效果大于40%，同时，单灯的实时管理使维护费用降低。,调光镇流器的调光结果,性能与成本的协调,通过对不同电路成本和性能的分析，从而为实际选用提供指导意义。,电子镇流器的发展集成化,1）控制IC和功率管的集成，在专用控制IC的外围集成功率Mosfet，简化设计和生产制造，提高性能。2）小型化电力电子集成技术、磁集成技术的应用。电力电子集成和磁集成技术是目前电力电子学发展的热 点问题，将微电子的信息处理集成化用于功率电路的集成 化。高频化、小型化、集成化、高可靠、3）专有ASIC和MCU的引入，以及利用FPGA为原型专用ASIC电路的设计,集成化技术,78K0/Ix2的设计理念,仅用1个单片机即可实现低成本高性能的绿色节能照明系统！,照明市场需求,荧光灯（变频照明）,设法削减系统成本！,寻求高分辨率调光控制！,必须带有异常检出保护功能！,设法实现节能系统！,13,Lighting ASSP 78K0/Ix2 Features,Main Features,Lineup,Timer for Lighting Control,Analog Functions,768,512,384,16K,8K,4K,Flash Size(bytes),30pinSSOP,40MHz(Max.)Count ClockPWM with Dead time controlPWM for Half/Full Bridge4ch synchronized outputInterlock operation with Comparators,78K0/Ix2,20pinSSOP,16pinSSOP,768,512,768,512,78K0/IY2,78K0/IA2,78K0/IB2,RAMSize,Note.only 20/30pin,Internal-OSC+PLL(CPU 20MHz)On-Chip Debug mountedHigh speed 16bit PWM timerSerial I/F(UART,I2C,CSI)Available DALI(Slave)Available 105 deg-C Operating,AD conversion synchronized with PWM timer Internal 3ch ComparatorsInternal OP-AMP PGA mode(x4/x8/x16/x32)Single mode(Using+/-/out pin)Note,电力电子集成技术,目前微电子领域使用“分立元件”的电路已经很少了，进入了集成电路时代，而在电子镇流器的设计应用中，大多还处于“分立元件”时代。,电力电子集成技术的概念,电子镇流器的发展高效率,电子镇流器的发展高可靠,降低功率管和磁性元件的温度，提高可靠性。温度每升高5度，电容寿命下降一倍。完善的镇流器保护电路、预热电路、以及灯系统的检测保护。单模块电子镇流器。,一些相关的新技术的应用,仿真和控制参数的选择，电气参数和热联合设计技术光源的建模电路拓扑结构的优化，降低成本，提高性能新能源供电的特殊问题（太阳能、风能供电）,仿真技术的应用,电子镇流器,拓扑分析,常见技术路线,仿真,对比,指导,电子镇流器的主要组成部分,气体放电灯的工作特性启动特性：需要高压启动。其中金卤灯在启动时需要3kV5kV的击穿电压。负阻特性：不能单独稳定工作的，需要和镇流器一起工作才能稳定。,电子镇流器的主要组成部分,电子镇流器的典型结构AC/DC:输入滤波器、整流桥、功率因数校正电路灯驱动：半桥逆变、启动电路控制电路：通讯接口，MCU,PFC功率因数有答复,1.PFC基本概念 POWER FACTOR CORRECTION 1.功率因数（PF）,为改善供电质量，提高供电线路功率因数，我国已经颁布了电能质量公用电网谐波标准GB/T14549-93，GB/T15144-94(IEC929)等。,2.功率因数校正技术中主要有两个途径使输入电压、输入电流同相位，此时=1,所以PF=。使输入电流正弦化，即=I，最后可得到PF=1，从 而实现功率因数校正。,PFC:PPFC(无源功率因数校正)、APFC(有源功率因数校正）PPFC：由电感，电容，二极管等无源元件组成。简单，成本低，能提高一定功率因数，但谐波滤波效果差。一般25W以下使用。,典型无源PFC应用电路,典型无源PFC应用电路,典型无源PFC应用电路,PFC,APFC：基于控制芯片，利用开关器件，搭配无源元件，获得近似于1的功率因数，稳定直流输出电压。成本较高，效率降低。一般选用Boost电路。Boost电路分析 按电感中的电流形式不同可分为三种：连续电流模式(CCM)；断续电流模式(DCM)；临界电流模式(BCM)；,断续电流模式,临界电流模式,连续电流模式,26,荧光灯使用NEC 78K0/Ix2可省去PFC芯片,Inverter circuit,DC380V,AC Power Supply,PFC circuit,I/O Port,PWM Timer,MCU,78K0/Ix2,MCU,PFC control IC,Inverter control IC,+,+,电路拓扑选择与期望之间矛盾,谐波含量,逆变电路,波峰因数,方波幅值,功率管耐压与功耗等,成本,逆变与驱动电路,电压馈送型,电流馈送型,推挽式,逆变与驱动电路,自振荡电压馈送电路。R1,C2,VD6,VD5组成自振荡启动电路。L2与C4,C5,C6组成LC串联谐振电路,Vbus-C3-Fl2-C4-Fl1-VT2-R4,Vbus-VT1-R3-Fl1-C4-Fl2-C6,半桥式逆变电路,仿真晶体管耐压,仿真Vab,仿真灯管电压电流,触发信号,建模,全桥式逆变电路,建模,仿真晶体管耐压,仿真Vab,仿真灯管电压电流,一些逆变电路仿真结果,对于管压要求较低的荧光灯电子镇流器，选取半桥式逆变电路做为其DCAC转换是适宜的，这不但能满足荧光灯波峰因数和谐波含量的要求，从而保证荧光灯正常工作和寿命，而且避免了全桥式逆变电路带来的结构复杂和成本升高；而对于一些对管压要求较高的荧光灯电子镇流器或HID灯电子镇流器，用全桥式逆变电路来实现DCAC转换是适宜的,1,2,3,4,方波幅值,成本,波峰因数,谐波含量,逆变电路,点灯电路,点火方法谐振点火(FL)谐振回路与输入高频方波的基波发生谐振而在灯端电容C上获得很高的电压脉冲脉冲点火(HID)通过在变压器的原边产生一个脉冲，使在变压器的副边得到一个足够高的电压以击穿灯管,灯阴极预热电路,预热灯丝是保证灯管顺利启动的必要条件。灯阴极预热电路：电压型预热电路：优点：灯丝加热快，不会使灯丝 预热时间过长 灯驱动波形近似正弦波，减小EMI。变压器伺服预热电路：VT1导通，两次级绕组T1b和 T1c上的感应电压预热灯丝。优点：IC控制，预热效果好。,灯阴极预热电路,电流型预热电路高频预热后，改变频率到LC谐振频率上，启动灯管，灯管正常启动后改变频率到稳态工作频率。采用PTC的预热电路,调光电子镇流器,电子镇流器调光方法有：占空比调节半桥直流总线电压调节频率调节相位调节应用较多的是：变频调光相位调制调光,调光电子镇流器,变频调光由于与灯管串联的电感阻抗随频率增加而增加，所以只要改变电流频率就可以改变电感的阻抗值，从而改变灯电流。电路简单，易于控制但调光范围受到限制,相位调制调光改变灯管电流和管电压的相位关系以改变灯管功率。与灯功率线性关系好调光范围较宽,数字式电子镇流器,这是奥地利锐高公司的一款的电子镇流器，有如下功能：可调光范围是：有灯丝预热功能电压输入，功率因素.完善的故障保护功能输出功率恒定，不受市电电压波动影响有通信接口，可与照明控制系统相联实现完全的电子灯控管理,调光电子镇流器,采用ML4836的调频调光电路ML4836(Micro Linear)可控制启动时序。利用频率调制调节VCO频率范围。过热保护，欠压保护，灯寿终关断等保护。预热启动功能,ML4836内部框图,各工作模式下的工作频率,调光电子镇流器,D1,D2,和C2,C3组成倍压整流滤波电路，R2,R3,C12,C13,1为IC启动元件，L2,D3,D4,D5,C8组成IC辅助电源IC,变压器T2,Q1,Q2，组成半桥逆变器，L2,C14,C15,C16组成输出网络，R10,R8,R5等为IC振荡器定时元件,调光电子镇流器,使用PSoC的调光电路,驱动与监控电路,HID电子镇流器,HID金卤灯的工作特性启动特性：金属卤化物灯在启动时需要3kV5kV的击穿电压负阻特性：金属卤化物灯是不能单独稳定工作的，需要和镇流器一起工作才能稳定。声谐振现象：引起电弧不稳定，严重影响照明效果，甚至使电弧熄灭，或放电管爆裂声谐振现象的抑制通过提供低频方波电流驱动灯管 调制逆变器的开关频率和改变相位角 给灯提供一个高频方波电流 HID灯发生声谐振现象频率之上的超高频率驱动灯 通过声谐振现象的反馈来改变开关频率,反馈与控制技术,驱动电路方案及电路设计,高频PWM波产生方案分析,取样电阻连接示意图,恒流控制流程图,采用间接控制法，通过测量与灯串联的取样电阻两端的电压值间接的检测到灯电流。,HID主电路拓扑分析,常见HID主电路拓扑分析典型3级HID电子镇流器PFC提高功率因数，采用APFCDC/DC 变换器调节输出功率DC/AC 逆变器实现低频方波输出该结构清晰，易于控制。但元件较多。,HID主电路拓扑分析,典型3级式HID电子镇流器,Power Factor corrector:Boost ConverterLamp Power controller:Buck ConverterLamp Driving Stage:Full Bridge Inverter,HID主电路拓扑分析,两级HID电子镇流器,HID电子镇流器,半桥电路工作模式,两个工作模式:Mode 1:S1高频开关S2 关断S1,L,lamp,D2 构成 buck改变S1的开关占空比以控制灯功率Mode 2S2 高频开关S1 关断S2,L,lamp,D1 构成 buck变换器改变S2的开关占空比以控制灯功率,先进控制技术与MCU的结合,驱动电路方案及电路设计,1：整合低频和高频-电路设计问题；2：反馈方式-灯特性与电路实现的问题3：拓扑设计、元件简化-可靠性问题,拓扑优化,减少元件，提高可靠性，大大降低成本；优化元件应力（电流，电压），降低对原件的要求，提高镇流器寿命；软开关技术减少EMI、发热、提高性能；数字控制芯片的应用会带来拓扑结构的优化、控制方法的优化结合专用电路设计综合灯的电流、电压状态，优化保护电路设计比单纯电流、电压方法好工作温度，综合电路设计和灯参数匹配,逆变拓扑结构选择的思考,桥式逆变电路原理仿真分析比较,全桥拓扑原理仿真模型,半桥拓扑原理仿真模型,1：功率管的工作状态；2：控制的模式与实现的方式；3：灯参数匹配的状况,3.2HID灯时序与恒功率控制关键技术,驱动控制方式启动控制点火成功前，主要是恒压控制点火成功后，控制方法主要是使灯功 率逐渐增大到额定功率的控制的恒流控 制或恒功率控制。,直接控制检测灯两端电压和灯电流，然后通过对检测信号进行处理后反馈到控制电路；间接控制分析电路的工作状态，找出与灯功率相关的控制变量进行反馈控制的方法。,电路工作状态与灯的特性匹配是设计的原则,新型主控芯片,采用CYPRESS PSOC实现半桥逆变,电子镇流器对芯片的要求：2个A/D转换端口 3个PWM波输出,新型主控芯片,按电子镇流器对控制芯片的设计要求，在CY8C29466芯片的内部资源中选取：两个可编程增益放大器：PGA_1，PGA_2；一个可变分辨率模数转换器：ADCINCVR_1；一个12位模数转换器：ADCINC12_1；两个8位PWM波产生器：PWM8_1，PWM8_2；一个16位有死区时间设置PWM波产生器：PWMDB16_1；,片上系统硬件设计结果,新型主控芯片（Cypress）,PSOC内部结构,数字芯片系统设计,CY8C29466中芯片时钟可达24MHz，CPUcore可以通过对接收到A/D转换器的数据处理后对PWM产生器进行实时控制。其中一路PWM波用以提供点火电路的驱动信号。另外两路分别在PSOC芯片内部进行逻辑运算输出高频调制的低频方波信号。,FPGA在控制芯片设计中应用,FPGA的设计原型芯片,数控电路实际输出结果：下图主要描述了FPGA给半桥驱动芯片IR2110两个输入管脚HIN和LIN的PWM输入值。HIN和LIN分别给半桥驱动电路的上MOS管和下MOS管提供开关驱动控制。从图中可以看出，给HIN和LIN的输入值周期是6ms。其中每3ms给HIN输入，LIN这时为0，表示关断；另外3ms给LIN，HIN则为0。,数控电路实际输出结果,电路实现及输出测试,FPGA设计D分析ALI的仿真,接受环节,发送环节,谢谢预祝大会圆满成功,