电子镇流器谐振回路的设计

邹学军，鞠耀武，曲 杨，金小明，尤晓波

（赛尔富电子有限公司，浙江 宁波 315103）

0 引 言

电子镇流器具有噪声小、启动快、无频闪以及效率高等特点，再加上其重量轻、耗材少，比传统的工频镇流器更有竞争优势。高性能的电子镇流器通常由前级电路和后级电路组成，前级采用通用的有源功率因数纠正（Active Power Factor Correction，APFC）技术提高功率因数，满足线路谐波要求，同时为后级变换提供比较稳定的400 V直流工作电压[1]。通常情况下，后级包括直流-交流逆变电路和谐振电路[2]。电子镇流器的工作状态直接决定荧光灯的工作状态，而荧光灯在不同工作状态下的等效电路模型也不相同，对电子镇流器的逆变电路和谐振电路进行理论分析与计算具有重要意义。

1 设计过程

镇流器的拓扑结构有很多种，常用的是半桥拓扑结构，如图1所示。

图1 镇流器半桥逆变电路

其中，UDC是由前级功率因数校正电路提供的直流电压。经过开关管S1、S2轮流导通形成占空比约为50%的高频方波电压，向由谐振电感L、谐振电容C以及灯管组成的并联谐振回路提供高频交流电能。Cb为隔直电容，在谐振回路设计中可以忽略不计。谐振电路等效电路如图2所示。

图2 电子镇流器谐振等效电路

（1）由方波基波电压U1和灯电流IL确定谐振电感的感抗ZL，其大小等于方波电压的基波有效值和灯电流有效值的比值。荧光灯管在高频（通常为20～100 kHz）下工作时，每一个高频周期内流过灯管的电流和灯管两端的电压相位相同，电流的大小和电压的大小成正比，具有纯电阻的伏安特性。使用一个大功率电阻来模拟正常工作的灯管，电阻的大小等于灯管两端电压与流过灯管电流的比值。根据双端荧光灯管规格标准，14 W、21 W、28 W以及35 W的T5灯管额定工作电流均为170 mA，但额定电压不同[3-5]。根据欧姆定律，计算得出4种灯管的等效电阻值分别为500 Ω、725 Ω、950 Ω、1 200 Ω。将等效电阻与谐振电容并联，电子镇流器的工作频率和匹配回路的谐振频率相同时，输出电流保持恒定，与负载阻抗无关。由于谐振回路的存在，只有基波的能量传递到灯管上，因此电子镇流器谐振等效电路需要考虑基波分量[6]。根据傅里叶级数分解可以得到基波有效值为

将半桥逆变器产生的占空比δ=50%、UDC=400 V代入式（1），可以计算得到基波有效值U1≈180 V。

在谐振等效电路中，根据欧姆定律得到流过谐振电感的电流IL为

式中：L为谐振电感的电感量；C为谐振电容容量；R为荧光灯管等效电阻的阻值；ω为镇流器的工作角频率。

流过荧光灯管的电流IR为

当镇流器的工作频率和LC回路的谐振频率相同时，ω2LC=1，则：

从式（4）可以看出，当镇流器的工作频率和LC回路的谐振频率相同时，流过灯管的电流和灯管的等效电阻的大小无关。在图2中，流过谐振电感的电流是流过灯管（等效电阻）和流过谐振电容的电流的矢量和。当镇流器输出接线端短路时，即R=0，流过谐振电容的电流为0，流过电感的电流和流过R的电流相同。由式（4）可得，谐振电感的感抗ZL=180 V/0.17 A≈1 058 Ω。谐振电容的容抗ZC和谐振电感的感抗相同，也为1 058 Ω。也就是说，当镇流器输出接线端短路，流过电感的电流仍是0.17 A，镇流器并不会因短路而电流过大损坏。

（2）电子镇流器的工作频率设定。因为人耳能听到的频率为20 Hz～20 kHz，所以电子镇流器的工作频率应大于20 kHz。38 kHz频率又可能会对常用的红外遥控形成干扰，频率超过100 kHz的半导体开关器件价格会上升。综合考虑以上各种因素，将镇流器的工作频率设定在44 kHz。镇流器频率设定后，可求出工作角频率ω=2πf=276 460 rad/s，该工作频率可以由高精度的定时电容、电阻以及相应的控制芯片实现。

（3）确定谐振回路的参数。电容的选择相对简单，选用高频低损耗的金属化聚丙烯膜电容，考虑到在灯管击穿时需要承受很高的电压，额定电压为1 600 V。谐振电感为非标器件，其设计需要考虑的因素较多。在不同灯管负载下，灯管的灯电压明显不同。由于谐振电容同灯管并联，因此谐振电容上的电压和灯管上的电压相同，流过谐振电容上电流跟并联的灯管电压成正比增大。灯电流的相位和灯电压的相位类似，由于谐振电容上的电流相位比电压超前90°，因此灯电流和谐振电容上的电流相差90°，流过谐振电感上的电流为灯电流和谐振电容电流的矢量和。流过电感的电流的有效值为

在灯管型号确定后，灯管电流和灯管电压就随之确定。谐振电感上的电流接近于正弦波，其峰值电流为有效值的1.414倍。谐振电感的发热由电感的铜损和铁损两部分组成，铜损和流过电感的电流有效值的平方成正比。电感通常取电流密度为5 A/mm2，可以在较高的温度下可靠工作。考虑到高频下的趋肤效应，采用直径为0.16 mm的3股漆包线绕180匝，环境温度为50 ℃的情况下测得线圈表面温度为94 ℃，设计具有可行性。磁芯的铁损主要由两部分组成，即涡流损耗和磁滞损耗。在44 kHz的工作频率下，主要产生的是磁滞损耗，需要设定合适的最大工作磁感应强度来降低磁芯的损耗。为了降低电子镇流器的外壳高度，选用EFD20磁芯，其有效面积为28.8 mm2。在接35 W的灯负载时，输出功率最大，同时流过谐振电感的电流的有效值也最大，此时电感电流的最大值为0.36 A。

2 实际产品验证

将输出电流为0.17 A的电子镇流器接不同功率的T5灯管，实际测得的部分数据如表1所示。

表1 电子镇流器接不同规格T5灯管的测试数据

根据表1，所设计的电子镇流器在接不同规格的T5灯管时，输出电流的偏差在10 mA以内，具有良好的电流恒输出特性。

3 结 论

电子镇流器的工作频率和谐振回路相同时，在相同的输入电压下，不同功率的荧光灯管能得到相同的电流。在谐振点工作的电子镇流器具有恒流输出的特性，在查到灯管的电流参数的情况下，按照本文的方法可以快速设计与之匹配的谐振回路，缩短产品的开发时间。