阿拉丁广州镇流器终稿

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1、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信息学院光源与照明工程系复旦大学电光源研究所复旦大学电光源研究所报告人：报告人：孙耀杰孙耀杰 博士博士 副教授副教授 副主任副所长副主任副所长LOGO镇流器的一些基本问题镇流器的一些基本问题电子镇流器克服电感镇流器的一些问电子镇流器克服电感镇流器的一些问题题电路拓扑、控制、保护及灯参数匹配电子镇流器的一些发展趋势电子镇流器的一些发展趋势LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系 气体放电光源镇流器最基本电特性气体放电光源镇流器最基本电特性1.1.需要一个启动电压需要一个启动电压,以击穿气体产生放电以击穿气体产生放电;启辉器启辉

2、器 触发器触发器2.2.负阻特性负阻特性,需要串联镇流器才能稳定工作需要串联镇流器才能稳定工作;3.3.其它特性：灯参数匹配、电磁兼容、保护、调光、灌封、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（集成化、高可靠设计（MBFTMBFT）、预热）、预热LOGO电子镇流器的优点：频率对电感大小的影响电子镇流器的优点：频率对电感大小的影响电源频率电源频率:50Hz 电源频率电源频率:20.000100.000Hz Z=jwLLOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系电子镇流器拓扑结构滤波整流PFC逆变LCACACDCDCACPFC线路线路逆变逆变光源光源LOGO复旦光

3、源与照明工程系复旦光源与照明工程系电子镇流器的基本原理电子镇流器的基本原理频率为频率为:50Hz整流滤波部份整流滤波部份:把交流电变成直流电把交流电变成直流电频率为频率为:20K-100KHz逆变部分逆变部分:把直流电变成高频交流电把直流电变成高频交流电输出点灯输出点灯 AC/DCDC/ACLOGO采用数字调光电子镇流器采用数字调光电子镇流器 有中央控制，实现光有中央控制，实现光控，时控等各种智能控，时控等各种智能控制，可以和控制网控制，可以和控制网络相联，组成智能控络相联，组成智能控制系统，数字调光电制系统，数字调光电子镇流器的优点：有子镇流器的优点：有报道在世界多个国家报道在世界多个国家的

4、案例节电效果大于的案例节电效果大于40%40%，同时，单灯的，同时，单灯的实时管理使维护费用实时管理使维护费用降低。降低。LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系调光镇流器的调光结果调光镇流器的调光结果LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系性能与成本的协调性能与成本的协调成本成本性能性能性能性能成本成本Trade Area Impossible Cost Line 通过对不同电路成本通过对不同电路成本和性能的分析，从而为实和性能的分析，从而为实际选用提供指导意义。际选用提供指导意义。LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系电子镇流器的发展电子镇流器的发展集成化集成化1

5、）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LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系集成化技术LOGO78K0/Ix2的设计理念照明市场需求（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！LOGO13Lighting ASSP 7

6、8K0/Ix2 FeaturesMain FeaturesLineupTimer for Lighting ControlAnalog Functions76851238416K8K4KFlash Size(bytes)30pinSSOPn40MHz(Max.)Count ClocknPWM with Dead time controlnPWM for Half/Full Bridgen4ch synchronized outputnInterlock operation with Comparators78K0/Ix220pinSSOP16pinSSOP76851276851278K0/IY

7、278K0/IA278K0/IB2RAMSizeNote.only 20/30pin nInternal-OSC+PLL(CPU 20MHz)nOn-Chip Debug mountednHigh speed 16bit PWM timernSerial I/F(UART,I2C,CSI)Available DALI(Slave)nAvailable 105 deg-C Operating nAD conversion synchronized with PWM timer nInternal 3ch ComparatorsnInternal OP-AMP PGA mode (x4/x8/x1

8、6/x32)Single mode(Using+/-/out pin)NLOGO电力电力电子集成技术集成技术 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LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系电子镇流器的发展电子镇流器的发展高效率高效率高效率高效率灯工作参数匹配、软灯工作参数匹配、软开关技术，减少开关损耗，降开关技术，减少开关损耗，降低功率管温度，提高可靠性。低功率管温度，提高可靠性。调光与照明控制技术的结合调光与照明控制技术的结合先进的灯光控制方法的研究，先进的灯光控制方法的研究，

9、增加电流控制精度增加电流控制精度LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系电子镇流器的发展电子镇流器的发展高可靠高可靠 降低功率管和磁性元件的温度，提高可靠性。温降低功率管和磁性元件的温度，提高可靠性。温度每升高度每升高5 5度，电容寿命下降一倍。度，电容寿命下降一倍。完善的镇流器保护电路、预热电路、以及灯系统完善的镇流器保护电路、预热电路、以及灯系统的检测保护。的检测保护。单模块电子镇流器。单模块电子镇流器。LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系一些相关的新技术的应用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仿真和控制参数的选择，电气参数和热联合设计技术

10、计技术 光源的建模光源的建模 电路拓扑结构的优化，降低成本，提高性能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）新能源供电的特殊问题（太阳能、风能供电）LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系仿真技术的应用仿真技术的应用电子镇流器电子镇流器拓扑拓扑分析分析常见技常见技术路线术路线仿真仿真对比对比指导指导LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系电子镇流器的主要组成部分 PFC和APFC 逆变与驱动电路 点灯电路 灯阴极预热电路调光电子镇流器高效HID电子镇流器 常见HID主电路拓扑分析 HID灯时序与恒功率控制关键技术 主控芯片LOGO复旦光源

11、与照明工程系复旦光源与照明工程系电子镇流器的主要组成部分气体放电灯的工作特性气体放电灯的工作特性 启动特性：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：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。LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系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，MCULOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系PFC功率因数有答复 1.PFC基本概念 POWER FACTOR CORRECTION 1.功率因数（PF）

12、coscoscosrmsrmsIIVIVISPPF表示输入基波电流有效值表示输入电流有效值为相移因素为电流失真系数为改善供电质量，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。cosrmsIcos2.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。rmsIcosILOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系 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

13、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LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系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PFCLOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系 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

14、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LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系 26荧光灯使用NEC 78K0/Ix2可省去PFC芯片Inverter circuitInverter circuitDC380V AC Power Supply PFPFC circuitC circuit I/O I/O Port Port PWM PWM Timer Timer MCU MCU 78K0/Ix2 78K0/Ix2 MCUMCU PFCPFC control control ICIC Inverter control Inverter contro

15、l IC IC +PFC PFC IC IC InverterInverter IC IC LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系电路拓扑选择与期望之间矛盾电路拓扑选择与期望之间矛盾谐波含量谐波含量逆变逆变电路电路波峰因数波峰因数方波幅值方波幅值功率管耐压与功耗等功率管耐压与功耗等成本成本LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系 逆变与驱动电路输出级大多采用LC串联网络。有半桥，推挽，等形式。通常采用半桥逆变结构。电压馈送型电流馈送型推挽式LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系 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

16、C4,C5,C6组成LC串联谐振电路Vbus-C3-Fl2-C4-Fl1-VT2-R4Vbus-VT1-R3-Fl1-C4-Fl2-CLOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系半桥式逆变电路半桥式逆变电路仿真晶体管耐压仿真晶体管耐压仿真仿真Vab仿真灯管电压电流仿真灯管电压电流触发信号触发信号建模建模LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系全桥式逆变电路建模建模仿真晶体管耐压仿真晶体管耐压仿真仿真Vab仿真灯管电压电流仿真灯管电压电流LOGO一些逆变电路仿真结果一些逆变电路仿真结果电路类型电路类型波峰因数波峰因数三次谐波含量三次谐波含量方波幅值方波幅值晶体管耐压幅值晶体管耐压幅值

17、成本成本半桥式半桥式1.379.53%0.5VDC VDC低低全桥式全桥式1.50 6.80%VDCVDC高高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 1234方波幅值方波幅值成本成本波峰因数波峰因数谐波含量谐波含量逆变逆变电路电路LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系点灯电路 点火方法 谐振点火(FL)谐振回路与输

18、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 LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系灯阴极预热电路 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。LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系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

19、，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LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系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LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系调光电子镇流器 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p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LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系数字式电子镇流器这是奥地利

20、锐高公司的一款的电子镇流器，有如下功能：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：可调光范围是：有灯丝预热功能有灯丝预热功能电压输入，功率因素电压输入，功率因素.完善的故障保护功能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LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系调光电子镇流器 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

21、寿终关断等保护。预热启动功能ML4836内部框图LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系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LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系调光电子镇流器使用PSoC的调光电路驱动与监控电路LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系HID电子镇流器 HID金卤灯的工作特性启动特性：金属

22、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 LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系反馈与控制技术驱动电路方案及电路设计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

23、值间接的检测到灯电流。LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系HID主电路拓扑分析p 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APFC DC/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。LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系 HID主电路拓扑分析p典型3级式HID电子镇流器LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系HID主电路拓扑分析p两级HID电子镇流器LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系 HID电子镇流器 半桥电路工作模式两个工作模式:1.Mode 1:S1高频开关S

24、2 关断S1,L,lamp,D2 构成 buck改变S1的开关占空比以控制灯功率2.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LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系驱动电路方案及电路设计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LOGO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

25、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LOGO逆变拓扑结构选择的思考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LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系HID灯时序与恒功率控制关键技术p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。p 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

26、路；p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LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系新型主控芯片 采用CYPRESS PSOC实现半桥逆变电子镇流器对芯片的要求：1.2个A/D转换端口2.3个PWM波输出LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系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，P

27、WM8_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 LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系新型主控芯片（Cypress）PSOC内部结构p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。LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系FPGA在控制芯片设计中应用在控制芯片设计中应用FPGA的设计原型芯片LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系 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数控电路实际输出结果LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系FPGA设计D分析ALI的仿真接受环节发送环节LOGO复旦光源与照明工程系复旦光源与照明工程系谢谢预祝大会圆满成功