高强度气体放电灯电子镇流器

高强度气体放电灯电子镇流器

孙多春王涟李璜

一、引言

高强度气体放电灯以其高光通量、高光效(100～120lm/W)、长寿命和放电管小而显示出很强的生命力。其中高压钠灯以其特高光效和透雾性强在道路、港口照明方面得到普及；而金属卤化物灯除高光效外，还以高显色性备受青睐，在体育馆、展厅、商场、广场及要求高显色性的工厂、车间被广泛采用，成为流行的泛光照明中的一枝独秀的主要光源。

高强度气体放电灯工作时须采用镇流器补偿自身的负阻特性。高强度气体放电灯启点时必须加以数千伏的高压触发脉冲使灯启动，启点初期电弧电流很大，正常工作时灯又运转在高气压电弧放电状态。从启点到灯稳定工作期间灯阻抗变化很大。高强度气体放电灯的上述特点要求镇流器不仅要提供启动所需高电压，而且要与灯的不同阶段的不同负载特性相匹配，并能承受更高的瞬态电压和更大的短暂电流的冲击。

电感镇流器绕组线径粗，体积较大，材料消耗多，加以自身消耗的功率较大(达到灯功率的15%或更高)，温升高，功率因数低(0.3～0.4)和三次谐波高等固有缺点，远不符合绿色照明的要求。以电子镇流器代替电感镇流器已经成为绿色照明工程中一项紧迫任务。

表1 电子镇流器和电感镇流器比较

每只镇流器本身耗电

(W) 每只年节电(kWh)

电感镇流器电子镇流器2500h/年

荧光灯(40W) 约8 1 17.5 金属卤化物灯(250W) 38 8 75

高压钠灯(400W) 58 11 117.5

目前高强度气体放电灯本身技术日趋成熟，而且电子镇流器关键功率器件及专用芯片技术成熟，加上政府倡导和政策扶持，为电子镇流器的推广应用提供了良好契机。从我国目前情况看，人们已经从荧光灯和紧凑型荧光灯配用电子镇流器带来的舒适和节电的显著效果，逐步对高强度气体放电灯配用电子镇流器持认可和接受态度。

二、国内外技术动态

1.国外研究进展

国外学者对金属卤化物灯配用电子镇流器的寿命研究指出，通过设定金属卤化物灯的流明系数，可以阻止灯管早期发白和灯管膨胀，大大降低寿命过程中灯压的升高，使灯管寿命比在电感镇流器下延长1.5～2倍。

当金属卤化灯使用电子镇流器时，存在声谐振现象，必须加以抑制。金属卤化灯工作时，电弧浓度较高，离子质量大，等离子体离子振荡频率处于音频范围内。这一频率与电子镇流器工作频率接近时，易产生共振效应，加之实际电弧管的直径和极间距离为这一共振提供驻波场，从而使共振效果加强。在发生这类振荡时所产生的电磁力使电弧在电弧管内往返运动，电弧压降、电流亦随之涨落，导致电弧最后熄灭，这一现象就是金属卤化灯的声谐振效应。如何解决金属卤化灯的声谐振是金属卤化灯电子镇流器的一项关健技术。

抑制声谐振通常可采取以下措施：1、直流供电电路；2、矩形波电路；3、处于无声共频共振的频率窗口的正弦波电路：4、200kHz以上无声共振区域的高频电路；5、三次谐波叠加到基波上的电路；6、调频电路。

2.国外专利和产品

1994年以后的近50个专利中，有代表性的几个高强度气体放电灯电子镇流器专利技术如下：

国别专利号发明人发明人单位

英国 GB265773 Joe Allen Nuckolls 自由人

美国US5319286 Paul Leyten 北美菲利普公司

美国US5369340 Paul Leyten 北美菲利普公司

美国US5381076 Louis R.Nerone et al 美国通用电气公司

上述专利中，北美菲利普公司和美国通用电气公司的专利在原理上很相似，且均已在小功率上实现了商品化。

目前，世界上三大照明巨头荷兰PHILIPS公司，美国GE公司和德国OSRAM公司均投入精力，开发大功率HID灯电子镇流器，但至今尚未有一家公司能够推出实用化250W以上金属卤化物灯或高压钠灯电子镇流器。据了解，美国GE公司最大仅推出130W商品化高强度气体放电灯电子镇流器，而德国OSRAM公司最大也仅仅推出120W商品化高强度气体放电灯电子镇流器。对其某些型号电子镇流器的测试结果来看，其产品性能指标并不高，并且温升比较高。

3.国内研究现状

从总体上看，目前国内研制的电子镇流器取得了很大进展，但仍存在一些问题，如功率因数、谐波含量、抗干扰能力、安全指标还达不到要求，有些镇流器还影响灯的寿命，甚至引起火灾的发生。这主要是由于以下几个原因：

1)对灯本身的物理特性了解不深，对灯的启动过程和正常工作状态缺乏系统的、科学的认识。忽视灯与电子镇流器匹配特性的研究与优化，线路整体设计不够科学。

2)对电路参数的设计不尽合理，特别是对元器件特性掌握不深，选择不合理，对其损坏和老化机理缺乏理论上的指导。

因此，一个设计合理的电子镇流器应该着重注意解决以下技术关键：

1)金属卤化物灯声谐振问题

目前国内外一般采用远离声谐振窗口的单一频率准正弦波作为灯的

供电电源。然而，不同品牌甚至同一品牌而不同批次的灯，由于灯放电管尺寸的一致性不够好，仍会产生声谐振，有时甚至会很严重。声谐振会大大损害灯的寿命，严重时甚至会损坏放电管，并且抖动的光线极易造成视觉疲劳而损害人的视力。

2)散热问题和能量局部集中问题

功率电子产品中，元器件的发热是不可避免的。但如何确保元器件处在合理的发热水平，以保证其最大寿命，是提高电子镇流器整机可靠性的前提和关键。

3)大功率高强度气体放电灯(HID灯)同配用的电子镇流器最佳匹配问题

通过使电子镇流器同HID灯启动过程的起辉、辉光放电、辉光放电向弧光放电过渡和弧光放电四个阶段以及最终的稳定弧光放电各个阶段的最优匹配，可大大提高灯的寿命和电子镇流器的可靠性。

三、电子镇流器的技术要求

从原理上讲，电子镇流器是一个高频振荡器，除了维持燃点外，还应满足以下几个要求：

1.灯的启动

气体放电的着火条件是遵循巴邢定律的。着火电压和放电管的极间距离、管内的气体压力、气体种类和阴极性质有关。在高频作用下，由共振产生高电压使灯启动是容易做到的。但为了维持高强度气体放电灯的寿命，必须满足两个条件：启动瞬时的高能量和防止任何大于工作电流的浪涌电流冲击阴极，以最大限度地减少强电场、大电流引起的阴极物质的溅射，从而延长灯的寿命。

2.功率因数与谐波含量

为改善功率因数，需要从两方面入手。既要减少基波电压与电流的相位角差，又要改进波形，减少谐波分量，以提高λ值。若电子镇流器谐波含量大，不仅对电网干扰大，而且使三相平衡中的高次谐波无法抵消，成批使用可使中线电流严重超载而引起火灾，供电柜跳闸等后果，因而必须采取措施，使高次谐波含量在规定的范围之内，使其可靠地接入电网。

3.温度适应范围广、温升低

使用环境温度范围广，即要求电子镇流器能在较宽的环境温度范围内正常工作。这就要求在电路结构设计、元器件选择、工艺技术上下功夫。电力电子装置中器件的功耗，特别是频率升高时的开关损耗(或反向恢复损耗)及电流谐波在线路和元件中带来的附加损耗，会使它们工作时达到很高的温度，不仅降低了电子镇流器的效率，而且还会引发双极型二极管的二次击穿，电容的加速老化等问题。恰当选择开关器件，对线路元件参数进行可靠性设计，特别是合理设计磁性元件(变压器、电感等)对降低温升很有利。有关产品质量高温寿命实验统计资料表明，属于功率管失效的产品占失效总数的绝大多数，约为65%，电解电容失效的产品占产品失效总数的20％，其余为二极管及保护电路失效。目前，国外同类产品一般选用绝缘栅型场效应管器件，适当选择电解电容耐压值、