无极灯电子镇流器PDM调光技术研究

无极灯电子镇流器PDM调光技术研究

朱其伟;林国庆;杜志川

【摘要】基于无极灯电气特性的分析,提出了一种适合于无极灯负载特性的分段脉冲密度调制(PDM)调光策略.PDM调光策略是在PDM调光周期内保持无极灯工作周期数不变,通过调节PDM关断时间控制输出功率.同时在PDM调光策略中引入了分段调光方式,根据不同调光阶段设置无极灯整数个工作用期作为PDM导通时间,在各自调光阶段通过控制PDM的关断时间实现调光周期占空比的平滑变化,实现了对无极灯的高精度、宽范围的平滑调光.采用DSPIC单片机实现数字化控制,具有控制电路简单、可靠性强等优点.实验结果验证了该控制策略的可行性.

【期刊名称】《电工电能新技术》

【年(卷),期】2016(035)012

【总页数】6页(P59-64)

【关键词】无极灯;脉冲密度调制;调光;DSPIC单片机

【作者】朱其伟;林国庆;杜志川

【作者单位】福州大学电气工程与自动化学院,福建福州350108;福州大学电气工程与自动化学院,福建福州350108;福州大学电气工程与自动化学院,福建福州350108

【正文语种】中文

【中图分类】TM46

无极灯具有光色稳定、光衰小和寿命长等诸多优良特性[1]，已成为理想的新型光

源之一，广泛应用于厂房、道路和广场等照明场所。无极灯没有电极，依靠电磁感应形成等离子气体放电而发光，其放电的“伏安”特性呈负阻特性，需要与电子镇流器配合才能正常工作。无极灯光源的调光控制既能达到照明节能的目的，又避免了有害的眩光，具有很大的节能降耗空间，是实现绿色照明的重要指标。

目前，国内外针对无极灯调光控制的研究主要集中在直流侧调光与逆变侧调光两个方面，其中直流侧调光又称调幅调光(PAM)，PAM调光以斩控调光为主，逆变侧

调光以脉冲频率调制(PFM)和脉冲密度调制(PDM)为主。PAM调光方案考虑到无

极灯负载特性，当斩控电路输出电压低于额定电压约50%时，可能引起灯负载电

压过低造成灯闪烁甚至熄灭，因此调光范围较窄。PFM调光方案中，当变换器工

作频率偏离谐振点一定值时，灯的放电性能将发生急剧变化，导致灯电流随频率变化也非常大，频率稍微增加，灯电流就急剧减小，可能导致灯闪烁或熄灭，其调光范围受限制，仅为60%～100%[2,3]。对于PDM调光方案，因调光时开关频率和灯负载电压幅值变化很小，是一种较理想的调光方案，但这种控制呈有级调光方式，调光不够平滑连续，调光精度不高，功率调节特性不理想[4,5]。因此，为解决上

述方案存在的问题，本文提出一种适合于无极灯负载特性的分段连续PDM调光控制策略。利用DSPIC单片机实现数字化控制，该控制策略具有控制电路简单，调

光平滑连续、调光范围宽和可靠性强等优点。

2.1 电路组成及工作原理

无极灯电子镇流器电路结构如图1所示，其由电压型半桥逆变电路、串并联谐振

回路、耦合线圈和控制电路等组成。其中电压型半桥逆变电路由开关管Q1和Q2组成，串并联谐振回路由电感Lr、Lc和电容Cr、Cb等组成。耦合线圈由匝数为

N的激励电感Lc和无极灯灯管等离子放电环组成。灯管等离子体放电环和若干匝的无极灯激励电感线圈之间可等效成一个耦合系数为k、互感为M的变压器，其

中等离子体放电环相当于变压器副边的单匝绕组，激励电感线圈相当于变压器的原边绕组。控制电路由DSPIC单片机、采样电路和保护电路等组成。

启动时，控制电路通过扫频寻找谐振回路固有谐振频率以产生点灯所需的高压脉冲，高压脉冲通过耦合线圈使灯管内的气体被电离，产生紫外线辐射，激发了灯管壁上的荧光物质，发出可见光，灯被点亮[6,7]。在点亮的一瞬间，灯电压瞬间从峰峰

值数千伏降低到数百伏，同时灯电流也随之降低，无极灯进入正常工作状态。正常工作时，通过谐振电流在电感线圈中产生的电磁感应现象，电能被源源不断地传送到负载，无极灯持续发出可见光，实现灯体稳态发光[8]。

2.2 特性分析

利用等离子体放电环和激励电感线圈之间的耦合关系，把耦合线圈次级无极灯参数映射到耦合线圈初级，并进行等效变换，因耦合线圈的电阻值很小近似为0，耦合系数k近似为1，可以得到如图2所示的无极灯电子镇流器简化电路[9-11]。

图2中，uin和iin分别为谐振回路的输入电压和输入电流；Lr、Cr分别为谐振电感和谐振电容；Cb为隔直电容； Leq、Req分别为无极灯参数映射到耦合线圈初级的等效电感和等效电阻，可分别由式(1)和式(2)表示：

假设电容Cb>>Cr，忽略Cb在谐振回路中其容

抗的影响，则谐振电路等效阻抗Z(ω)和固有谐振f0分别为：

式中，f为变换器的工作频率。

谐振变换器输出有功功率为：

式中，Uin为谐振电路输入电压的有效值。

根据图2并结合式(3)和式(4)，可以推导出谐振回路的输出电压增益为：

式中，为谐振电路输出电压的有效值。

由式(6)可得输出功率Po表达式：

当β=1，即f=f0时，输出功率取得最大值：

输出功率与开关频率的关系曲线如图3所示。

3.1 调光原理分析

根据传统PDM控制原理，有[5]：

式中，D=M/N,表示脉冲密度调制占空比；N为在一个固定的工作时段T内总的驱动脉冲个数；M为一个工作时段T内正常工作驱动脉冲的个数。这种方式由于N是固定的，M为整数，因此呈有级调光，调光效果不连续、精度较差，调光范围也比较小。由式(9)可知，谐振频率f0处的输出功率Pf 0近似与D成正比。

基于现有调光方式原理的分析，本文提出的PDM调光方法原理如图4所示。

图4中，Ts为电子镇流器工作周期，T为调光周期，ton、toff分别为调光周期内谐振变换单元正常工作时间和关断时间。考虑到避免音频噪声及无极灯工作频率，本文设置最小脉冲调制频率为工作频率的1/10，即调光周期T应满足T≤10Ts。在ton时间内半桥谐振变换器的两个开关管正常交替导通，谐振变换器输出完整的正弦交流电压；在toff时间内两个开关管同时关断，谐振变换器中的能量自由振荡衰减。针对一个调光周期T时间内，PDM调光控制的占空比D可表示为：输出功率Po可表示为：

式中，ton取整数个工作周期，即ton=nTs,而调光周期

T满足T≤10Ts，可得：

式中，n为工作周期数。

由式(10)和式(12)可知，n越小，PDM调光范围越大，n=1时调光范围可达10%～100%。由式(11)可知，保持正常工作时间ton不变，调节开关管关断时间toff可以调节输出功率Po的大小，从而达到调光的目的。与控制工作周期数调光不同，关断时间toff可以连续调节，因而可以实现调光周期内占空比D及输出功率Po的平滑连续地变化，进而实现了平滑的宽范围调光。输出功率比Po/Pm与关断时间toff、工作周期数n的关系曲线如图5所示。