用在熒光照明中的功率電子器件

　　為了降耗節(jié)能，用熒光燈、LED或HID替代白熾燈的工作正在全世界范圍內(nèi)進(jìn)行，并取得了巨大進(jìn)展。舉例來說，電子變壓器已用來驅(qū)動(dòng)低電壓鹵素?zé)簦糜跓晒鉄舻拇判枣?zhèn)流器已經(jīng)被電子鎮(zhèn)流器所取代，而LED已經(jīng)使用高效的開關(guān)電源。其中，替換50/60Hz鐵芯變壓器或鎮(zhèn)流器的主要原因是為了提升效率。不過，新型電子鎮(zhèn)流器雖能帶來更高的性能和更小的質(zhì)量或體積，但價(jià)格仍偏貴。然而，取決于具體應(yīng)用，特別是考慮到電子鎮(zhèn)流器能降低能耗的時(shí)候，用其取代磁性鎮(zhèn)流器的投資回報(bào)時(shí)間就不會(huì)超過一年。

　　對(duì)熒光燈照明和電子鎮(zhèn)流器的封閉檢查

　　經(jīng)典的磁性鎮(zhèn)流器和啟輝器能完滿執(zhí)行熒光燈的工作要求（見圖1）。最初，起輝器S1關(guān)閉，電流流經(jīng)電感L1和燈絲FL。當(dāng)起輝器經(jīng)一段時(shí)間啟動(dòng)后，燈絲已處于高溫狀態(tài)，電流的急劇變化會(huì)導(dǎo)致電感產(chǎn)生高電壓并通過燈泡。當(dāng)燈被點(diǎn)亮后，電感的感抗就會(huì)限制放電電流。

　　圖1 磁性鎮(zhèn)流器原理

　　磁性鎮(zhèn)流器的缺點(diǎn)

　　這個(gè)簡(jiǎn)單鎮(zhèn)流器的一些缺點(diǎn)是明顯的，而另一些則不是。首先，啟輝器會(huì)在線電壓零交叉時(shí)啟動(dòng)。此時(shí)的電流比較小，啟動(dòng)電壓也是如此，燈泡也許不會(huì)啟動(dòng)。整個(gè)系統(tǒng)效率較低，而這要?dú)w結(jié)于兩個(gè)原因。首先是價(jià)格的風(fēng)險(xiǎn)，電感自身的高損耗是公認(rèn)的。第二是離子在線電壓零交叉時(shí)要重新結(jié)合，而在下個(gè)半周期中又要被離子化，后面的行為會(huì)導(dǎo)致可觀的能量損失。

　　電子鎮(zhèn)流器的優(yōu)點(diǎn)

　　電子鎮(zhèn)流器的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是其有很高的頻率（一般為30～60kHz）。由于此高頻率，離子的重組合不會(huì)發(fā)生，燈泡的效率會(huì)增加10%（相比于工作在50/60Hz時(shí)）。此外，電子鎮(zhèn)流器本身的設(shè)計(jì)效率要高于90%，當(dāng)同F(xiàn)L一起工作時(shí)，能輕易節(jié)省30%的能量。

　　在歐洲最流行的FL鎮(zhèn)流器拓?fù)涫请妷吼侂娤盗泄舱癜霕颍ㄒ妶D2）。

　　圖2 FL鎮(zhèn)流器的結(jié)構(gòu)框圖

　　半橋能被不同的頻率驅(qū)動(dòng)，占空比約為50%。在啟動(dòng)階段，只要FL不被點(diǎn)燃，鎮(zhèn)流器控制器就會(huì)產(chǎn)生高于L1/C1的共振頻率。于是，大電流流經(jīng)燈絲將其加熱到預(yù)期的溫度。當(dāng)經(jīng)過一段決定于外部元件的時(shí)間后，控制器開始降低工作頻率以達(dá)共振。其結(jié)果，通過燈泡的高電壓產(chǎn)生了，燈泡被點(diǎn)亮。點(diǎn)亮后，F(xiàn)L的阻抗會(huì)對(duì)共振電路進(jìn)行抑制，使燈泡上的電壓接近工作電壓。在許多應(yīng)用中，燈泡電流被直接或間接地感應(yīng)到，工作頻率會(huì)被調(diào)整到預(yù)置點(diǎn)。而只要工作頻率超過L1/C1的共振頻率，MOSFET就會(huì)進(jìn)行軟開關(guān)，在EMI被降低的同時(shí)，開關(guān)損失可忽略不計(jì)。

　　帶有快速恢復(fù)二極管的MOSFET會(huì)非常適合如圖1那樣的應(yīng)用。集成快速恢復(fù)體二極管的500V和600V Q-FETTM，以及600V SuperFETTM都屬這種類型。因?yàn)樯喜縈OSFET的柵極需要高電壓驅(qū)動(dòng)，所以高壓側(cè)的柵極驅(qū)動(dòng)是必須的。高電壓驅(qū)動(dòng)器芯片，像飛兆公司的FAN7380、FAN7383、FAN7384以及FAN7382都符合這些要求并具有很好噪聲免疫能力。此外，還有具備安全和控制功能的純鎮(zhèn)流器驅(qū)動(dòng)器FAN7544和集成高壓柵級(jí)驅(qū)動(dòng)的控制器FAN7532。

　　功率因數(shù)校正

　　按照電流國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求，如果照明設(shè)備的功率超過25W，就必須使用功率因數(shù)校正。這里有兩個(gè)原因：一個(gè)是白熾燈泡的特性像一個(gè)電阻，也就是說電壓和電阻是同相的。二是照明只消耗了總功率的10%～12%，一天要工作幾小時(shí)，相比于其他設(shè)備是相當(dāng)長(zhǎng)了。因此，如果照明電器沒有進(jìn)行功率因數(shù)校正，就會(huì)導(dǎo)致電源網(wǎng)絡(luò)上的大量額外損失。

　　因?yàn)槎鄶?shù)設(shè)備的總功耗都在150W以下，所以臨界模式PFC是最經(jīng)濟(jì)的解決方案。在這個(gè)模式下，通過控制電感的峰值電流，電流峰值就能同整流后的輸入電壓成比例。在空閑時(shí)間，電感電流回落到零，也就是電感的退磁會(huì)啟動(dòng)下個(gè)開關(guān)周期。很容易看到電感的平均電流同輸入電壓成比例，這就是預(yù)期的結(jié)果。這里還有兩種不同的方法來控制電感的峰值電流。在FAN7527的電流模式下，整流后的線電壓會(huì)感應(yīng)出參考電流，其能設(shè)定峰值電流的實(shí)際值。而在FAN7529的電壓或恒定工作時(shí)間模式下，開關(guān)設(shè)備的工作時(shí)間在一個(gè)或多個(gè)線性半周期中是保持恒定的。保持工作時(shí)間恒定，峰值開關(guān)電流又再次同輸入電壓成比例，并能從基本的微分式dI/dt =V/L中解出來。這兩種模式的共同點(diǎn)是輸出電壓的感應(yīng)和穩(wěn)壓。

　　圖3 轉(zhuǎn)換模式PFC的電壓模式控制應(yīng)用框圖

　　低價(jià)鎮(zhèn)流器有多種PFC拓?fù)?，或用高感抗的鐵芯扼流圈平滑輸入電流，或棄用功率開關(guān)和控制器IC而使用電荷泵PFC。在這種拓?fù)渲?，半橋結(jié)構(gòu)用來驅(qū)動(dòng)熒光燈和PFC（見圖4）。因?yàn)闊襞莸碾娫幢仨毞€(wěn)壓，且沒有額外的度數(shù)用來控制PFC，所以很難找到合適的L和C來形成良好的功率因數(shù)并將燈泡穩(wěn)定在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)。這就是為什么這種解決方案很便宜，卻很少使用的緣故。

　　電子鎮(zhèn)流器的另一個(gè)特點(diǎn)是能“完美”地預(yù)熱燈絲，使得燈泡的壽命完全不會(huì)依賴開關(guān)周期的次數(shù)，并能不閃爍地啟動(dòng)和工作，在不同輸入電壓下保持恒定亮度和具有高功率因子。最后，對(duì)應(yīng)急照明尤其重要的是，電子鎮(zhèn)流器能工作在直流輸入電壓下，即可采用電池供電。

　　圖4 帶電荷泵PFC的自振蕩鎮(zhèn)流器

　　燈壽終（EOL）探測(cè)

　　在氣體放電中，有個(gè)接近陰極的區(qū)域，放電電壓在此處下降很快，且沒有光發(fā)出，因此被叫做“陰極勢(shì)降”。根據(jù)電壓降和電流，這個(gè)區(qū)域會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)?shù)墓β屎纳?。隨著燈泡工作時(shí)間的增加，燈絲的發(fā)光性會(huì)變差，而陰極勢(shì)降也會(huì)增加。結(jié)果，接近陰極的功率耗散增大，這個(gè)區(qū)域也就會(huì)變得越來越熱。如果燈管的直徑很小，它就很容易被加熱到熔點(diǎn)。因此，燈管越細(xì)，對(duì)一種叫EOL特性的檢測(cè)就變得越來越重要。尤其是對(duì)于T5，這個(gè)特性是必不可缺的，它已被包含在用于熒光照明的歐洲安全標(biāo)準(zhǔn)中。

　　通常情況下，F(xiàn)L是在交流模式下工作的，每個(gè)燈絲會(huì)有50%的時(shí)間成為陰極。幸運(yùn)的是，兩個(gè)燈絲中的一個(gè)會(huì)首先喪失發(fā)射率，燈泡因而變得不均勻。這樣，監(jiān)控整個(gè)燈泡的電壓或工作電壓/電流的對(duì)稱性就有可能探測(cè)到EOL。

　　緊湊型熒光燈（CFL）的封閉性檢查

　　CFL包含了一個(gè)集成在燈泡中的電子鎮(zhèn)流器。因?yàn)樘娲税谉霟襞?，?dāng)FL有缺陷時(shí)這些鎮(zhèn)流器就會(huì)被丟棄。這就是為什么一個(gè)CFL的電子器件不必要有FL鎮(zhèn)流器那樣長(zhǎng)的壽命。此外，因?yàn)榭臻g受限且PFC被棄用，功率也會(huì)受限?？傊?，雖然有同樣的基本結(jié)構(gòu)，CFL卻使用了與FL鎮(zhèn)流器有少許不同的逆變器電路。通常，多數(shù)CFL使用一個(gè)自振蕩半橋來替代控制IC（見圖5）。

　　圖5 典型自振蕩CFL鎮(zhèn)流器

　　新的控制器像FAN7711和集成了功率MOSFET的高電壓柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器FAN7710有助于簡(jiǎn)化CFL的設(shè)計(jì)，特別是設(shè)計(jì)者希望用新的集成控制器來獲得額外的性能和安全特性時(shí)。

　　圖6 FAN7710的典型應(yīng)用

　　結(jié)語(yǔ)

　　全世界對(duì)提高照明產(chǎn)品功效的持續(xù)關(guān)注推動(dòng)了在照明應(yīng)用中使用更多的高效解決方案。具體表現(xiàn)就是在照明設(shè)計(jì)中逐步增加對(duì)電子器件的使用，而半導(dǎo)體供應(yīng)商在這一過程中將扮演非常重要的角色。