浅谈无极灯镇流器( 逆变器) 的技术核心

无极灯是Promise Light（electrodeless lamp）高频电磁等离子体放电灯的简称，由灯泡/管、耦合器（内外置）、电子镇流器（高、低频）三部分组成。镇流器起电频转换和驱动作用，耦合器（电磁转换）与灯泡/管是镇流器的负载。

　　当市电通过高频镇流器变频后，产生一个2-3MHz高频正弦电流，通过功率耦合器建立一个高频磁场，在高频磁场的作用下，在涂有稀土荧光粉的玻璃泡壳内瞬间产生高频电场，使泡壳内部的汞原子发生电离雪崩效应，从而产生253.7nm的强紫外线，稀土荧光粉在强紫外线的作用下从而发出可见光（低频无极灯的频率在180-250KHz）。由于玻璃泡壳内壁涂有氧化铝金属粉层，相当于在泡壳内壁建立了一个金属屏蔽层，从而阻挡了电磁波外泄，这使得高频无极灯不会产生超出国际标准的电磁空间辐射。

　　由于无极灯灯泡/管内没有金属电极，灯体部分不存在易损元件，所以这类灯的寿命非常长，可达到6-10万小时以上。

　　无极灯镇流器是将85V～265V 50Hz/60Hz的电网电能高可靠、高效率地转换为驱动灯泡/管所需的高频（180-250KHz；2-3MHz）交流形式电能。灯泡/管的特性决定了整个系统的寿命主要取决于高频电子镇流器高可靠、高稳定的运行寿命的技术、材料保证。

　　无极灯的灯泡/管具有三个特性：

　　1. 负阻特性；即灯管等效阻抗随温度T的上升，阻抗呈下降状态，若镇流器无限流功能，灯管功率将不断上升直至电路或灯管损坏。

　　2. 启动特性；启动时需高达数千伏特的电压和足够的功率，才能使灯管气体由高阻状态进入工作时的额定等效阻抗(从电特性对灯管工作的分析)。

　　3. 温度特性；即环境温度的不同，使灯管的初始等效阻抗值相差巨大，这一特征对灯管在低温下启动有明显影响。

　　根据以上特性，拟从灯泡/管和驱动供电两个方面着手解决：

　　与普通日光灯管/HID的方法一样，负载与电源之间串接一只电感器，该电感器即镇流器电感或则叫扼流电感，电感器稳定负载电流的原理是一种负反馈调节，普通工频情况下，为达到镇流器所需的电感量，其体积大，重量重，为减小体积和重量，则要提高工作频率，因而引入了变频器，这就是节能灯、无极灯电子镇流器。因变频以及提高功率因数又带来了电磁干扰问题，又不得不增加电路来解决电磁干扰，为实现镇流，把电路搞得复杂与庞大。

　　启动问题，普通日光灯/HID的启动是利用镇流器电感反向冲击电压与电源电压叠加实现高压启动。无极灯电子镇流器则利用谐振原理产生高压实现启动。启动时除了高压要求之外，另一个重要参数即功率，只有启动电流达到灯泡/管启动功率要求，方可有效启动灯泡/管。

　　灯泡/管的第三个特征，就是因温度下降，灯管初始等效阻抗大幅提高，使得在相同谐振电压情况下，启动电流相对减少，影响灯管的启动，造成启动困难。

　　此外，无极灯与灯具的恰当配合保证良好的散热效果，也是充分发挥无极灯优良性能的一个很重要的部分。

无极灯镇流器技术重点研究问题之一：变频过程中的效率问题

　　镇流器效率的高低，直接影响无极灯是否高效节能。在研究解决效率问题中，本人认为，在保障电路正常、安全工作的原则下，设计电路时：一是要尽可能减化电路；二是要系统所有参数以最优为目标（杜绝短板效应）、并以降耗为第一原则，成本考虑放在其次。

　　镇流电路中的元件都是物理元件，只要工作必然产生损耗，而不同的元件其产生损耗的性质是不一样的，可分为两类：一类为固定损耗类，例如 二极管、电阻、导线等。此类元件的参数设计简单，只需根据电路原理、功率、耐压等一些基本参数要求，精选元件就能实现最低能量损耗的电路设计。第二类为可变损耗类，如 场效应管(三极管)、电容、电感，此类元件的参数设计是降耗的关键，设计得好功耗低、设计不好功耗大幅上升。设计中不仅要考虑单个元件的参数，而且要考虑电路的整体优化，是一项系统性很强的工作。

　　使用场效应管作开关管时，驱动性能是影响场管功耗的重要原因，通常会设计一些电路来保证驱动波形的上升速率和下降速率，使波形陡峭。例如开通时的加速电路、关闭时抽取贮存电荷等等。测试部分厂家的产品，发现这样一种现象，有的镇流器波形虽好，但功耗仍较大、场管温度也较高，时有烧管现象；有的产品波形虽一般，功耗并非想像中那麽差、温度也不很高，故障现象也不明显。如果只从驱动上分析，解释不通这种现象。但把驱动、电路、负载特性、电源供电、结合电路一起作理论分析，即系统参数优化（杜绝短板效应），就证明这种现象存在的合理性。

　　在设计、生产镇流器时是按优化电路模型计算、调整各个部分的参数，使产品自身功耗下降、而可靠性、稳定性就得以提高。

　　贮能元件电容、电感，变压器是非线性的，其能耗参数设计是很多厂家忽视的一环，一般只考虑了电路功能的需要，而较少在降耗上下功夫。这些元件在理论状态下只进行能量交换而耗能不多，但由于实际上参数设计、材料选取、制作工艺的区别，最终出现耗能相差甚远，而这正是大功率无极灯镇流器设计生产中值得所有厂家深入研究的一环。

　　除了基波外，包含各种畸变的输入电流还含有很丰富的高次谐波分量，这些过高的谐波分量会对公共电网造成严重影响，从而形成谐波干扰。这种周期性尖脉冲电流更窄，会使直流脉动电压起伏变大，使灯电流的波峰系数变大，对灯泡/管极为不利。同样，灯的光通量起伏也加大，对人的视力造成较大损害。直流脉动电压起伏变大也会使得开关管不能处于最佳工作状态，容易发热而导致损坏，镇流器的使用寿命将大大缩短，得不偿失。

　　抑制谐波的改进措施就是尽可能提高其功率因数，减小输入电流的谐波失真。要达到这个目的，就必须提高整流管的导通率（即延长输入电流的导通时间），使得电源电流的波形接近电压的正弦波，减小电流的波形失真；同时又要保证电源滤波电容能平滑地向负载连续供电（即减小输入电流与输入电压间的相位差）。这就是通常所说的功率因数校正电路工作原理。功率校正电路分无源校正（PPFC）和有源校正（APFC）。目前，小功率一体化无极灯电子镇流产品限于成本价格因素，大都采用改进型逐流电路组成的无源谐波抑制电路。这种技术发展得比较成熟，只要调试得当，镇流器的谐波含量基本可以得到有效的抑制，功率因数可达到0.85-0.90。但这种电路存在调试难度高，在大量生产时难以控制产品质量的问题，而且基本上无法同时满足电磁兼容标准和性能标准要求。而有源校正则是采用三极管等分立有源器件组成的谐波抑制电路，或采用专用集成电路的谐波抑制电路，功率因数一般都可达到0.95-0.99以上。而且后者调试要比前者简单，可靠性更高。
[p] 无极灯EMC干扰主要是辐射干扰和传导干扰两部分，辐射干扰指向空间发射电磁波，也叫射频干扰，传导干扰指对电网的干扰；其主要来源于功率因数校正、变频输出、电路耦合等几个地方。由于无极灯工作频率极高，输出功率大，功率管在开关过程中的硬开关特性会产生大量的奇次谐波与偶次谐波干扰，相对来讲变频输出(镇流器工作频率)的干扰占大部分，在EMC检测中体现出来的就是工作频率与它的倍数频率附近的干扰明显增大，随着镇流器功率的增大，干扰强度增大，针对这个问题必须从输入级的滤波电路、功率因数校正电路、谐振电路上做出相应的处理。高频电路的PCB设计和工艺、结构对EMC至关重要，重要元器件的位置、走线、接地、散热等都要认真分析，慎重放置。在经过对电子镇流器进行传导、辐射测试的大量数据分析后知道，电子镇流器产品所产生的电磁干扰中，在9~150KHz频率范围主要以差模干扰为主；150KHz~30MHz频率范围主要以是共模干扰为主。找到干扰源，又知道其产生干扰原因，只需采取相应措施加以抑制其干扰，使通过该条款的考核并非难事。

　　除了在镇流器的输入端（电源端）加串ＥＭＩ滤波器外，还可以在镇流器产生干扰的部件上下功夫。从前面的分析知道，开关管在其导通和断开瞬间会产生幅度较高的脉冲电压或电流，只要把这个脉冲电压或电流消除或减弱即可降低镇流器的干扰电压。可分别在开关管基极和发射极之间并一个瓷片电容，降低晶体管的深饱和，有助于降低脉冲电压的幅度，而且还可防止开关管的共态导通，不致于损坏开关管；或在开关管集电极和发射极之间加入阻尼网络（Ｄ、Ｒ、Ｃ），以吸收其通断间产生的浪涌电流，对开关管起保护作用，并能有效降低干扰强度。

　　无极灯镇流器技术重点研究问题之三：谐振电路的参数设计

　　谐振电路由镇流电感、耦合电感、谐振电容等构成，在通电时产生谐振电压，灯亮后镇流电感与耦合器构成稳定的电压分配关系。在电路设计中要考虑的因素有工作频率、谐振频率、功率控制、谐振电压等参数在合理的范围内。

　　无极灯镇流器的工作频率，目前有2.65MHz（自激震荡驱动）与250KHz（它激震荡驱动）两种，一般为固定频率。当频率、灯泡/管功率确定后由灯泡/管功率向前反推设计参数。设计谐振参数时，可设灯管为开路状态，镇流器电感、耦合器电感、电容形成一串并联（LCC）电路。其中f0为谐振频率，L1为镇流电感，L2为耦合电感，C2为谐振电容。通常取L1，L2基本相等，根据灯管功率、灯管温度等，耦合器线径、匝数、磁环参数、电感量即可确定。耦合器与灯泡/管相似变压器关系，其初级为耦合器，次级为灯泡/管，次级电流将改变初级电感量，使谐振电路参数发生改变，f0偏移，镇流器则以恒定频率工作在感性负载状态（即输出频率略高于驱动频率）。镇流电感的负反馈的作用可调节灯泡/管功率。适当提高谐振电压和反馈电压幅度，以利于在低温启动时留有充足的余量。

无极灯镇流器技术重点研究问题之四：异常情况下的保护

　　无极灯的异常情况保护主要有几方面：高温保护、过电压保护、工作中保护、启动保护。

　　由于无极灯电子镇流器为电子元器件，镇流器长时间在超过70度以上工作时，容性元件的使用寿命会大大降低，故而在工作中必须设置高温保护电路来保证镇流器的寿命与稳定性。

　　在雷击等异常情况下，电网供电电压会产生极短时间的高压浪涌，若没有有效的电路把这种瞬间的能量导出电路以外，会对镇流器产生永久性的破坏，根据浪涌等级的不同，需要设置不同强度的保护电路。

　　工作中保护是指在灯管正常点亮之后，在管壳破裂、漏气、功率激增的异常情况的保护，这种异常情况下，若保护电路反应时间过长或者没有保护的话，镇流器会在极短时间之内损坏。

　　启动保护是指灯管因漏气、低温等情况下点火失败时，电路处于容性或弱感性状态下时对电路的保护，这种保护十分关键，大多数无极灯的损坏由于这一现象引起，这种情况下跟据不同的情况须采取多重保护的办法。

　　无极灯的异常保护一般分非锁定和锁定两种方式；非锁定方式在保护过程中，开关管仍然处于工作状态，保护状态不断启动，如保护状态时间较长，容易造成功率开关管或保护开关管的损坏。锁定方式的开关管在保护过程是不工作的，电路支持保护状态一定的时间（国标要求大于50秒），重启电源开关工作。

　　无极灯镇流器的几种拓扑


高压端反馈、触发式

自激式 低压端反馈、触发式

高频 非锁定/锁定 保护方式

它激式 （暂缺）

高压端反馈、触发式

自激式 低压端反馈、触发式

低频 非锁定/锁定 保护方式

它激式 主动式 （略）

反馈式 （略）

　　分析无极灯的这几个环节，可见无极灯镇流器要解决的技术问题为：变频、高转换效率、EMC滤波、谐振电路设计、异常情况下的保护等几个部分。目前，各个厂家生产的无极灯电子镇流器其基本工作原理大体相同，只是在工艺结构和电路异常保护方面、在参数设计方面有所区别。