1 引言

高频荧光灯电子镇流器以高效、体积小、重量轻、无频闪、灯寿命长等优点逐渐为人们所接受。我国对电子镇流器的研究始于二十世纪80年代末至90年代初。早期很多厂家为节约成本选用较简单的拓扑结构，性能指标往往达不到国家标准，且极易损坏，给电子镇流器的普及造成了障碍。目前也有人直接套用国外先进的电路拓扑，致使设计方法纷繁复杂，甚至有些根本不适于在220V/50Hz电网下工作。随着节能问题日益受到关注，高性能荧光灯电子镇流器需要增加调光功能：在无需满功率输出的场合降低输出功率，不仅节能、延长灯的使用寿命，还能起到调节视觉效果的作用。因此，研究高性能、更贴近灯特性且功能齐全的电子镇流器十分必要。

2 设计要点

2.1 概述

调光功能实际上是指调节灯上输出功率的功能。当照明装置不需要满功率输出时，应用调光系统可节能50%。在传统无调光系统的镇流器设计中，灯在高频下稳定工作时输出功率恒定，可近似认为灯是定常电阻；当电网电压波动或其他原因使灯电压、灯电流的RMS值及灯功率发生变化时，通过闭环控制即可使灯稳定工作在额定点附近，灯电阻不会发生很大变化。而在调光工作模式下情况复杂得多：不同调光等级下荧光灯呈现的负阻特性不同，若仍把灯等效为纯阻性负载会产生相当大的偏差，因此调光式电子镇流器不能用简单的电阻负载来等效灯。

计算机辅助设计使电力电子装置的设计过程大为简化，并能获得更多电路工作信息，常用的仿真软件有PSPICE、MATLAB等，其中电力电子装置设计以PSPICE居多。因此，建立荧光灯的PSPICE模型成为迫切需要解决的问题。

2.2 荧光灯的建模

荧光灯建模主要有两种方法：一是物理建模，基于灯的物理放电现象，涉及较复杂的方程式和众多变量，不适合电路仿真；二是曲线拟合方法，利用灯的V-I特性曲线建模，根据实验结果用含待定系数的曲线方程去近似，其中有采用立方曲线方程的，也有采用指数曲线、抛物线曲线甚至线性方程的。

PSPICE模型可以是静态模型，也可以是动态模型。静态模型需计算出不同工作点下灯所呈现的阻抗值再进行分布式仿真，建立简单但应用不便；动态模型在工作点变化时能直接反映灯所呈现的阻抗值，包括启动过程，通常称为调光模型，非常适合调光式电子镇流器的设计。图1是一个荧光灯PSPICE动态模型，基于指数曲线拟合而成，针对32W-T8灯建立。

图1 荧光灯PSPICE模型

2.3 调光方式

调光是指调节传递到灯上的能量从而改变灯功率。一个调光控制系统一般通过控制四个参量达到调光目的：1）调节频率；2）调节占空比；3）调节直流母线电压；4）调节谐振阻抗值。

频率控制指改变开关频率fs，使工作频率偏离谐振网络的自然谐振频率以减小灯功率，此时保持占空比D恒定。占空比调制指在fs恒定时改变开关的导通时间，导通时间减小使传递到灯上的能量减少、灯功率降低；由于占空比的调制范围是0～0.5，调光范围因此受限。调节直流母线电压指改变直流母线电压幅值，同时保持fs和D不变，这种方式只能用于两级拓扑结构。阻抗控制指改变谐振网络Ls、Cr的参数值，实现较为复杂。调频方式的电路结构简单、容易控制，实际应用最多，但它存在整个调光范围内不易实现软开关、轻载时器件应力大、硬开通和硬关断使电磁骚扰严重等缺点。为扩大调光范围需扩大频率变化范围，而频率范围受电磁元件和门极驱动电路限制；灯电流近似与逆变器频率成反比，设计电感等电磁元件时须考虑这一影响。

2.4 模型的验证

用一个简单电路验证灯模型，拓扑仅由一个Class-D逆变器构成，参数为Ls=1.56mH，Cr=5.6nF，fs=45kHz，D=0.45。

图2 Class-D型逆变器电路拓扑

图3 不同频率下灯电压、灯电流仿真波形：(a) f=45kHz，D=0.45；(b) f=70kHz，D=0.45；(c) f=75kHz，D=0.45

从图3可以看出，在整个调光范围内灯电压几乎不变，灯电流随频率增加而逐渐降低；当fs接近75kHz时灯电流急剧下降，继续增大频率灯将熄灭。说明该模型能够很好地反映灯特性。

3 设计与验证

3.1 主电路拓扑

主电路拓扑结构如图4所示。电子镇流器的主电路由PFC电路和谐振电路两部分组成。考虑到两级结构成本过高，将两级中的功率开关管共用构成单级结构：图4所示拓扑即由Buck-Boost型PFC电路与并联负载串联谐振电路合成，灯负载采用前文所述模型。

图4 调光式荧光灯电子镇流器主电路拓扑