电子镇流器常见拓扑结构及工作原理复旦大学王凯版权保护抄袭必纠摘要金属卤化物灯（简称金卤灯）作为高强度气体放电灯的重要灯种，由于拥有诸多优点而在绿色照明领域得到广泛应用，特别是在城市道路、商业广场、超市、摄影和工矿照明中大量使用，有着非常大的市场发展空间，随着金卤灯的广泛应用，与之相配套的金卤灯电子镇流器的开发也成为了研究热点。

金卤灯作为高强度气体放电灯的一种，其物理和电特性与大多数高强度气体放电灯类似，论文第一章首先对高强度气体放电灯的发光原理和电子镇流器工作原理作了简单介绍。

论文第二章对常见类型的电子镇流器的结构及工作原理作了介绍。

论文第三章针对150W金卤灯的物理特性和电特性设计了一款低频方波式电子镇流器，并对镇流器各部分电路参数作了理论计算。

论文第四章通过MATLAB/simulink仿真了功率因数校正电路和低频方波逆变电路，仿真结果验证了电路的设计合理性，其中功率因数校正电路设计合理，校正后输入侧功率因数为0.97，满足设计要求；低频方波电路能实现灯的低频方波驱动和灯电流恒流控制。

论文同时对逆变电路在电流换向时所存在的电流过冲问题提出了一种解决方案，仿真结果显示，该方案能有效解决电流过冲问题。

论文第五章根据电子镇流器设计方案搭建了实际电路，实验结果验证了设计方案的有效性。

其中功率因数校正电路在不同输入电压下均能实现功率因数校正，校正后输入侧功率因数在左右。

低频方波逆变电路在开环状态下能实现灯电压的低频方波逆变，输出灯电压与理论设计吻合。

由于时间限制，对灯电流的恒流闭环控制功能并没有实现。

关键词：金卤灯，电子镇流器，功率因数校正，低频方波逆变1 绪论金卤灯是高强度气体放电灯的一种，本章首先介绍了气体放电灯的发光原理，然后对电子镇流器的镇流原理作了分析。

最后对气体放电灯所存在的声谐振现象作了介绍。

1.1 气体放电灯的基本特性在通常情况下，气体是良好的绝缘介质，其电路阻抗可视为无穷大。

但是在光辐射、强电场、离子轰击和高温加热等条件下，气体可能会被击穿，发生电离并产生可自由移动的带电粒子，此时气体由绝缘体转变为导体，这种现象称为气体放电。

气体被击穿后，带电粒子不断地从电场中获得能量，并通过与其他粒子相互碰撞的形式将能量传递给其它粒子。

这些得到能量的粒子可能会被激发，发生能级跃迁，但跃迁后的激发态粒子并不稳定，会自发返回基态，跃迁回基态的粒子会产生电磁辐射、释放光子，这即是气体放电灯的发光原理。

图1.1为气体在一定条件下放电的伏安特性曲线，各段的物理特性如下所示：图1.1 气体放电的伏安特性OA段：由场致电离所产生的少量的带电粒子在电场作用下向阳极运动，从而产生电流，随着电场强度逐渐增加，单位时间内到达阳极的带电粒子数增多，电流增大。

AB段：随着电场强度进一步增强，由场致电离产生的带电粒子在电场加速下能全部到达阳极，单位时间内到达阳极的带电粒子不在增加，电流饱和。

BD段：当电极间电压继续增大，通过电场加速后的带电粒子速度达到很大，它们与气体中的原子发生碰撞并使之电离，原子电离后所产生的电子又被电场加速，并再与其他原子碰撞，如此循环，导致电离产生的电子数目呈雪崩式增加，对应灯电流快速上升，这个放电过程也称为雪崩放电。

DE段：经过雪崩放电后，气体放电灯管内气体阻抗迅速降低，管压降随即迅速下降，同时灯管中会产生可见的辉光。

D点一般称为气体放电着火点，D点电压也称为着火电压。

EF段：由图可知，在这一段内灯电流增加，但管压降基本保持不变，这段称为正常辉光放电阶段。

灯电流增加而管压降保持不变是因为阴极只有部分面积用于发射电子，其发射面积正比于灯电流，因此灯电流的增加只增加了阴极发射面积，但并不影响其管压降。

FG段：到达F点后，整个阴极面积都用于电子发射。

此时如果继续增大电流，同样的管压降所产生的阴极电子并不能满足电流增加，因此管压降必须上升，迸入异常辉光放电阶段。

GH段：继续增大电流，阴极温度逐渐上升，当阴极温度上升到能产生显著的热电子发射时，此时不再需要阴极位降来提供电子发射，阴极位降开始减小，管压降开始大幅下降，稳定后，放电管内产生强烈的弧光，这一阶段称为弧光放电阶段。

气体放电灯稳定工作时即工作在弧光放电区。

1.2 气体放电灯镇流器的工作原理金卤灯是高强度气体放电灯中的一种，其负载特性和电特性与气体放电灯基本无差别。

当气体放电灯正常工作时，其灯管处于弧光放电段，即图1.1中GH 段，由图可知，气体放电灯负载特性为负的伏安特性。

分析可知，将具有负伏安特性的负载单独接到电网中去时，气体放电灯是不能稳定工作的。

电网电压的扰动将导致灯电流无限止增加或者灯电弧很快熄灭。

如图1.2所示，通过给灯串联一个电阻或电感等阻抗性元件，就可以克服灯的负阻特性，从而改善弧光放电时电弧的不稳定性。

在交流情况下，能够改善灯负载特性的器件有电感、电阻、电容等，这些通称为限流器或镇流器。

图1.2 利用电阻或电感元件改善后的气体放电灯伏安特性曲线1.3 高强度气体放电灯的声谐振现象实验发现，当高强度气体放电灯工作在10kHz到几百kHz频率范围内时，灯电弧很不稳定，气体灯光输出不稳定、滚动、闪烁，照明效果严重下降，究其原因，是气体放电灯在高频工作时，灯管内气体发生声谐振，影响了电弧的稳定性。

声谐振发生时通常伴随着灯电压电流的变化，甚至可能会熄灭电弧乃至于损坏电子镇流器。

除此之外，发生声谐振时灯电弧会扭曲，在靠近灯管管壁的地方可能因为局部过热而使灯管炸裂。

声谐振现象是高强度气体放电灯在高频工作时所固有的现象，因此对于电子镇流器设计者而言，必须在设计时考虑如何有效防止声谐振现象的发生。

目前对于声谐振现象的消除[7]主要有以下几种方法： 选频运行； 频率调制；③超高频点灯；④低频方波点灯。

大量的研究表明[2、7]，低频方波点灯能有效消除气体放电灯声谐振现象。

1.4 本课题的研究意义及研究现状1.4.1 本课题研究意义随着各种节能灯在照明领域的广泛应用，对镇流器的需求量也不断增大。

目前市场上应用广泛的老式工频电感镇流器，存在着效率低、耗能高、体积大等缺点。

使用电子镇流技术能有效减小镇流器体积、提高输入侧功率因数和镇流器效率，同时还能改善普通电感式镇流器存在的发光频闪问题，提高灯光效。

目前，电子式镇流器因其优越的性能正不断被市场接受，市场份额不断扩大。

金属卤化物灯（金卤灯）作为节能灯的一种，由于拥有诸多优点而在绿色照明领域得到广泛应用，特别是在商业广场、城市道路、摄影、超市和工矿照明中大量使用，同时,由于其显色性能良好，目前金卤灯在液晶背景光源和汽车头灯等领域的应用也越来越广泛。

随着金卤灯在照明市场应用逐渐增加，与之相配套的金卤灯电子镇流器的开发也成为了研究热点。

1.4.2 本课题研究现状目前金卤灯的研究方向主要集中在金卤灯声谐振现象的消除和金卤灯调光这两个方面：一、金卤灯由于其灯管结构的特殊性，其声谐振现象非常严重，对于金卤灯声谐振现象的消除目前主要采用低频方波点灯这种方式来避免声谐振，如何简化低频方波电路的电路结构并提高其稳定性是目前的研究热点方向，目前很多新型两级式低频方波电路已经提出[11][12]，目前也有单级式电子镇流器结构被提出，但其电路可靠性并不高。

二、目前对于金卤灯调光控制主要集中在调频和调整导通占空比这两个方向。

对于模拟控制而言，要实现调频非常困难，而通过数字芯片很容易实现，但数字芯片的使用会导致电路成本升高，不利于电子镇流器的市场推广。

如何在电路成本控制下实现金卤灯的有效调光也是目前的研究重点。

2 电子镇流器常见拓扑结构及工作原理本章对目前常见类型的气体放电灯镇流器拓扑结构及其工作原理作了简单介绍。

2.1 普通工频电感式镇流器目前市场上工频电感式镇流器仍应用广泛，工频电感式镇流器的典型拓扑结构如图2.1所示图2.1工频电感式镇流器的拓扑结构其中电感L用作改善灯的负阻特性。

因为电感L会产生无功电流，并联电容C用作无功补偿，能提高输入端的功率因数。

工频电感式镇流器的主要缺点有:1. 由于加入了电感电容等阻抗元件，灯输入端的功率因数很低，功率因数在0.4左右。

2. 电感式镇流器工作在工频50Hz，因此镇流电感体积很大，不利于灯的小型化和集成化。

3. 在每个工频周期内，由于电感的存在，灯电流过零时电感会产生一个个电压尖峰，即所谓的再点火现象，这极大地降低了灯的寿命。

2.2 高频谐振式电子镇流器高频谐振式电子镇流器常见结构为两级式：PFC级+高频逆变级，电路拓扑如图2.2所示。

高频逆变级给灯提供高频驱动电流（通常为几kHz到几百kHz），由于工作在高频状态，电感体积极大地减小，有利于镇流器的小型化。

PFC级高频逆变级图2.2 高频谐振式电子镇流器但高频谐振式电子镇流器存在一个缺陷是，其工作频率与气体放电灯声谐振频率范围重叠，这极大的影响了高频谐振式电子镇流器的性能。

2.3 低频方波式电子镇流器低频方波式电子镇流器控制气体放电灯工作在低频方波状态，其工作频率一般为100-500Hz，由于可以彻底消除声谐振现象，目前这类电子镇流器已被广泛应用到金卤灯电子镇流器中。

低频方波式电子镇流器通过控制技术来改善灯的负阻特性，通过控制灯电流恒定可以不通过与灯串联阻抗元件便能使灯稳定工作，从而减小了镇流器体积。

从电路拓扑结构来看，低频方波式电子镇流器的常见结构有：典型的三级式低频方波电子镇流器、两级式低频方波电子镇流器、和单极式低频方波镇流器。

目前，从成本和可靠性来看，两级式低频方波镇流器最有发展前景。

2.3.1 三级式低频方波镇流器传统的低频方波电子镇流器包括三级结构：功率因数校正（PFC）电路、DC—DC 降压电路和全桥逆变电路，拓扑结构如图2.3所示。

其中第一级（PFC级）用于功率因数校正，提高电网侧输入功率因数；第二级为DC—DC级，通常为Buck 降压电路，电路工作在高频状态，可实现输出端的恒压限流、恒流或恒功率输出，从而改善金卤灯的负阻特性，实现灯的稳定驱动；第三级为DC-AC逆变级，使灯工作在低频方波状态。

图2.3 低频方波式电子镇流器的典型三级结构典型三级式电路原理简单，但结构比较复杂，对控制电路要求较高，而且镇流器所用器件较多，成本昂贵。

如何简化电路结构，控制电路成本已成为目前的研究热点。

2.3.2低频方波式电子镇流器的结构简化针对三级式电子镇流器结构复杂，成本较高等缺点，目前陆续提出了多种简化镇流器结构的方案，简化方向主要有两类：（1） 将PFC 级与DC-DC 级整合这种方法可以有效减小镇流器的结构复杂度，但简化后的电路功率因数校正效率较低且开关器件的应力较大。

目前这种方案主要应用于小功率场合。

（2） 将DC-DC 级与DC —AC 逆变级整合简化后的电路拓扑如图2.4所示，全桥逆变电路含有四个开关管，工作时它可以看成是两个Buck 电路的组合，因此理论上能将全桥电路与DC —DC 级整合。