無(wú)極燈電子鎮(zhèn)流器PDM調(diào)光技術(shù)研究

朱其偉， 林國(guó)慶， 杜志川

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院， 福建 福州 350108)

無(wú)極燈電子鎮(zhèn)流器PDM調(diào)光技術(shù)研究

朱其偉， 林國(guó)慶， 杜志川

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院， 福建 福州 350108)

基于無(wú)極燈電氣特性的分析，提出了一種適合于無(wú)極燈負(fù)載特性的分段脈沖密度調(diào)制(PDM)調(diào)光策略。PDM調(diào)光策略是在PDM調(diào)光周期內(nèi)保持無(wú)極燈工作周期數(shù)不變，通過調(diào)節(jié)PDM關(guān)斷時(shí)間控制輸出功率。同時(shí)在PDM調(diào)光策略中引入了分段調(diào)光方式，根據(jù)不同調(diào)光階段設(shè)置無(wú)極燈整數(shù)個(gè)工作周期作為PDM導(dǎo)通時(shí)間，在各自調(diào)光階段通過控制PDM的關(guān)斷時(shí)間實(shí)現(xiàn)調(diào)光周期占空比的平滑變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)極燈的高精度、寬范圍的平滑調(diào)光。采用DSPIC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，具有控制電路簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該控制策略的可行性。

無(wú)極燈； 脈沖密度調(diào)制； 調(diào)光； DSPIC單片機(jī)

1 引言

無(wú)極燈具有光色穩(wěn)定、光衰小和壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)良特性[1]，已成為理想的新型光源之一，廣泛應(yīng)用于廠房、道路和廣場(chǎng)等照明場(chǎng)所。無(wú)極燈沒有電極，依靠電磁感應(yīng)形成等離子氣體放電而發(fā)光，其放電的“伏安”特性呈負(fù)阻特性，需要與電子鎮(zhèn)流器配合才能正常工作。無(wú)極燈光源的調(diào)光控制既能達(dá)到照明節(jié)能的目的，又避免了有害的眩光，具有很大的節(jié)能降耗空間，是實(shí)現(xiàn)綠色照明的重要指標(biāo)。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)無(wú)極燈調(diào)光控制的研究主要集中在直流側(cè)調(diào)光與逆變側(cè)調(diào)光兩個(gè)方面，其中直流側(cè)調(diào)光又稱調(diào)幅調(diào)光(PAM)，PAM調(diào)光以斬控調(diào)光為主，逆變側(cè)調(diào)光以脈沖頻率調(diào)制(PFM)和脈沖密度調(diào)制(PDM)為主。PAM調(diào)光方案考慮到無(wú)極燈負(fù)載特性，當(dāng)斬控電路輸出電壓低于額定電壓約50%時(shí)，可能引起燈負(fù)載電壓過低造成燈閃爍甚至熄滅，因此調(diào)光范圍較窄。PFM調(diào)光方案中，當(dāng)變換器工作頻率偏離諧振點(diǎn)一定值時(shí)，燈的放電性能將發(fā)生急劇變化，導(dǎo)致燈電流隨頻率變化也非常大，頻率稍微增加，燈電流就急劇減小，可能導(dǎo)致燈閃爍或熄滅，其調(diào)光范圍受限制，僅為60%～100%[2,3]。對(duì)于PDM調(diào)光方案，因調(diào)光時(shí)開關(guān)頻率和燈負(fù)載電壓幅值變化很小，是一種較理想的調(diào)光方案，但這種控制呈有級(jí)調(diào)光方式，調(diào)光不夠平滑連續(xù)，調(diào)光精度不高，功率調(diào)節(jié)特性不理想[4,5]。因此，為解決上述方案存在的問題，本文提出一種適合于無(wú)極燈負(fù)載特性的分段連續(xù)PDM調(diào)光控制策略。利用DSPIC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，該控制策略具有控制電路簡(jiǎn)單，調(diào)光平滑連續(xù)、調(diào)光范圍寬和可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2 工作原理與特性分析

2.1 電路組成及工作原理

無(wú)極燈電子鎮(zhèn)流器電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其由電壓型半橋逆變電路、串并聯(lián)諧振回路、耦合線圈和控制電路等組成。其中電壓型半橋逆變電路由開關(guān)管Q1和Q2組成，串并聯(lián)諧振回路由電感Lr、Lc和電容Cr、Cb等組成。耦合線圈由匝數(shù)為N的激勵(lì)電感Lc和無(wú)極燈燈管等離子放電環(huán)組成。燈管等離子體放電環(huán)和若干匝的無(wú)極燈激勵(lì)電感線圈之間可等效成一個(gè)耦合系數(shù)為k、互感為M的變壓器，其中等離子體放電環(huán)相當(dāng)于變壓器副邊的單匝繞組，激勵(lì)電感線圈相當(dāng)于變壓器的原邊繞組?？刂齐娐酚蒁SPIC單片機(jī)、采樣電路和保護(hù)電路等組成。

圖1 無(wú)極燈電子鎮(zhèn)流器電路結(jié)構(gòu)Fig.1 Diagram of electronic ballasts for electrodeless lamp

啟動(dòng)時(shí)，控制電路通過掃頻尋找諧振回路固有諧振頻率以產(chǎn)生點(diǎn)燈所需的高壓脈沖，高壓脈沖通過耦合線圈使燈管內(nèi)的氣體被電離，產(chǎn)生紫外線輻射，激發(fā)了燈管壁上的熒光物質(zhì)，發(fā)出可見光，燈被點(diǎn)亮[6,7]。在點(diǎn)亮的一瞬間，燈電壓瞬間從峰峰值數(shù)千伏降低到數(shù)百伏，同時(shí)燈電流也隨之降低，無(wú)極燈進(jìn)入正常工作狀態(tài)。正常工作時(shí)，通過諧振電流在電感線圈中產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，電能被源源不斷地傳送到負(fù)載，無(wú)極燈持續(xù)發(fā)出可見光，實(shí)現(xiàn)燈體穩(wěn)態(tài)發(fā)光[8]。

2.2 特性分析

利用等離子體放電環(huán)和激勵(lì)電感線圈之間的耦合關(guān)系，把耦合線圈次級(jí)無(wú)極燈參數(shù)映射到耦合線圈初級(jí)，并進(jìn)行等效變換，因耦合線圈的電阻值很小近似為0，耦合系數(shù)k近似為1，可以得到如圖2所示的無(wú)極燈電子鎮(zhèn)流器簡(jiǎn)化電路[9-11]。

圖2 無(wú)極燈電子鎮(zhèn)流器簡(jiǎn)化電路圖Fig.2 Equivalent circuit of electronic ballasts for electrodeless lamp

圖2中，uin和iin分別為諧振回路的輸入電壓和輸入電流；Lr、Cr分別為諧振電感和諧振電容；Cb為隔直電容；Leq、Req分別為無(wú)極燈參數(shù)映射到耦合線圈初級(jí)的等效電感和等效電阻，可分別由式(1)和式(2)表示：

(1)

(2)

假設(shè)電容Cb>>Cr，忽略Cb在諧振回路中其容

抗的影響，則諧振電路等效阻抗Z(ω)和固有諧振f0分別為：

(3)

(4)

式中，f為變換器的工作頻率。

諧振變換器輸出有功功率為：

(5)

式中，Uin為諧振電路輸入電壓的有效值。

根據(jù)圖2并結(jié)合式(3)和式(4)，可以推導(dǎo)出諧振回路的輸出電壓增益為：

(6)

由式(6)可得輸出功率Po表達(dá)式：

(7)

當(dāng)β=1，即f=f0時(shí)，輸出功率取得最大值：

(8)

輸出功率與開關(guān)頻率的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 輸出功率與開關(guān)頻率關(guān)系曲線圖Fig.3 Curve of output power and switching frequency

3 新型調(diào)光策略原理與實(shí)現(xiàn)

3.1 調(diào)光原理分析

根據(jù)傳統(tǒng)PDM控制原理，有[5]：

(9)

式中，D=M/N,表示脈沖密度調(diào)制占空比；N為在一個(gè)固定的工作時(shí)段T內(nèi)總的驅(qū)動(dòng)脈沖個(gè)數(shù)；M為一個(gè)工作時(shí)段T內(nèi)正常工作驅(qū)動(dòng)脈沖的個(gè)數(shù)。這種方式由于N是固定的，M為整數(shù)，因此呈有級(jí)調(diào)光，調(diào)光效果不連續(xù)、精度較差，調(diào)光范圍也比較小。由式(9)可知，諧振頻率f0處的輸出功率Pf 0近似與D成正比。

基于現(xiàn)有調(diào)光方式原理的分析，本文提出的PDM調(diào)光方法原理如圖4所示。

圖4 PDM調(diào)光控制原理Fig.4 Schematic diagram for PDM dimming

圖4中，Ts為電子鎮(zhèn)流器工作周期，T為調(diào)光周期，ton、toff分別為調(diào)光周期內(nèi)諧振變換單元正常工作時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間。考慮到避免音頻噪聲及無(wú)極燈工作頻率，本文設(shè)置最小脈沖調(diào)制頻率為工作頻率的1/10，即調(diào)光周期T應(yīng)滿足T≤10Ts。在ton時(shí)間內(nèi)半橋諧振變換器的兩個(gè)開關(guān)管正常交替導(dǎo)通，諧振變換器輸出完整的正弦交流電壓；在toff時(shí)間內(nèi)兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)關(guān)斷，諧振變換器中的能量自由振蕩衰減。針對(duì)一個(gè)調(diào)光周期T時(shí)間內(nèi)，PDM調(diào)光控制的占空比D可表示為：

(10)

輸出功率Po可表示為：

(11)

式中，ton取整數(shù)個(gè)工作周期，即ton=nTs,而調(diào)光周期

T滿足T≤10Ts，可得：

(12)

式中，n為工作周期數(shù)。

由式(10)和式(12)可知，n越小，PDM調(diào)光范圍越大，n=1時(shí)調(diào)光范圍可達(dá)10%～100%。由式(11)可知，保持正常工作時(shí)間ton不變，調(diào)節(jié)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)間toff可以調(diào)節(jié)輸出功率Po的大小，從而達(dá)到調(diào)光的目的。與控制工作周期數(shù)調(diào)光不同，關(guān)斷時(shí)間toff可以連續(xù)調(diào)節(jié)，因而可以實(shí)現(xiàn)調(diào)光周期內(nèi)占空比D及輸出功率Po的平滑連續(xù)地變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了平滑的寬范圍調(diào)光。輸出功率比Po/Pm與關(guān)斷時(shí)間toff、工作周期數(shù)n的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 輸出功率比與關(guān)斷時(shí)間關(guān)系曲線Fig.5 Curve of output power ratio and switch-off time

由圖5可知，在各個(gè)工作周期數(shù)n下輸出功率的變化過程都是連續(xù)平滑的。工作周期數(shù)n不同，調(diào)光范圍也不同。工作周期數(shù)n越大調(diào)光范圍越窄，n越小調(diào)光范圍越寬，但是n較小時(shí)，在占空比較大區(qū)間內(nèi)功率曲線較陡，功率變化較快，調(diào)光誤差大。因此，僅僅保持工作周期數(shù)n不變，通過調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間進(jìn)行調(diào)光還不能兼顧調(diào)光范圍和調(diào)光準(zhǔn)確度。

為解決該問題，在PDM調(diào)光方式中引入分段調(diào)光方式，提出一種分段PDM調(diào)光控制策略，即由調(diào)光范圍進(jìn)行功率分段，并確定相應(yīng)的工作周期數(shù)n，在同一個(gè)調(diào)光段中保持工作周期數(shù)不變，通過調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間toff控制輸出功率。

3.2 調(diào)光策略實(shí)現(xiàn)

綜合考慮調(diào)光準(zhǔn)確度及調(diào)光范圍，選擇4段調(diào)光功率段，如表1所示。根據(jù)所需不同的調(diào)光范圍選取功率段，即選取不同的工作周期數(shù)n。

表1 PDM分段調(diào)光控制方法Tab.1 Piecewise control method of PDM dimming

輸出功率在50%～100%之間變化時(shí)取n=5；輸出功率在40%～50%之間變化時(shí)取n=4。以此類推, 通過調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間toff實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制。

由表1可得，引入分段方式后的輸出功率比Po/Pm與關(guān)斷時(shí)間toff的關(guān)系曲線如圖6所示。調(diào)光程序框圖如圖7所示。

圖6 PDM分段調(diào)光曲線Fig.6 Piecewise curve for proposed PDM dimming

圖7 調(diào)光程序框圖Fig.7 Diagram of dimming block

調(diào)光策略的實(shí)現(xiàn)過程如下：系統(tǒng)工作時(shí)，通過檢測(cè)給定輸出功率值，由圖6判斷該功率值所處功率段之后再依據(jù)圖7步驟進(jìn)行調(diào)光控制，即先設(shè)置相應(yīng)導(dǎo)通周期數(shù)n值，調(diào)光周期占空比D范圍為n/10～1。如果由采樣的調(diào)光信號(hào)計(jì)算出的所需占空比D1

由于在同一個(gè)調(diào)節(jié)功率段，工作周期數(shù)n是定值，通過調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間toff控制輸出功率，解決了傳統(tǒng)PDM調(diào)光時(shí)呈有級(jí)調(diào)功的不足，可以實(shí)現(xiàn)平滑、寬范圍和高精度的調(diào)光。而且采用分段PDM調(diào)光方式時(shí)無(wú)極燈工作頻率不變，調(diào)光過程半橋開關(guān)管均可以實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān)，開關(guān)損耗小，效率較高。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證理論分析的合理性，對(duì)無(wú)極燈電子鎮(zhèn)流器電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。設(shè)計(jì)了一臺(tái)基于DSPIC單片機(jī)的數(shù)控?zé)o極燈電子鎮(zhèn)流器原理樣機(jī)。工作頻率f=230kHz，主要參數(shù)如下：滿載輸出功率Po=100W，PFC輸出直流電壓Udc=400V，諧振電容Cr=4.7nF，諧振電感Lr=250μH，等效電感Leq=154μH，死區(qū)時(shí)間td=280ns，隔直電容Cb=0.1μF。依據(jù)不同調(diào)光需求選擇工作周期數(shù)n，通過調(diào)節(jié)變換器關(guān)斷時(shí)間toff改變調(diào)光周期的占空比D來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出功率調(diào)節(jié)。以10個(gè)變換器工作周期作為一個(gè)PDM調(diào)制周期，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同占空比驅(qū)動(dòng)波形及輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 Drive and output voltage waveforms under different duty cycle

圖8展示了不同調(diào)光占空比D及輸出電壓uo實(shí)驗(yàn)波形，其中VM1、VM2分別為半橋上下開關(guān)管電壓驅(qū)動(dòng)波形。

圖8中工作周期Ts=4.35μs,PDM周期T不超過10Ts。不同的調(diào)光階段PDM工作周期數(shù)不同。圖8(a)中，占空比D=100%，燈滿功率輸出。圖8(b)、圖8(c)中，工作周期數(shù)n=5,關(guān)斷時(shí)間分別為toff=2.63μs、toff=10.54μs，對(duì)應(yīng)的調(diào)光比例分別為89.23%、67.35%。圖8(d)、圖8(e)中，工作周期數(shù)n=4,關(guān)斷時(shí)間分別為toff=18.46μs、toff=10.54μs，對(duì)應(yīng)的調(diào)光比例分別為48.52%、44.56%。圖8(f)中，工作周期數(shù)n=3，關(guān)斷時(shí)間為toff=26.81μs，對(duì)應(yīng)的調(diào)光比例為32.74%。

由輸出電壓uo波形圖可以看出，在開關(guān)管正常工作ton時(shí)間段，電子鎮(zhèn)流器輸出正常的近似正弦電壓波形，而在開關(guān)管關(guān)斷toff時(shí)間段，輸出電壓uo自然振蕩衰減，從而使整個(gè)調(diào)光周期內(nèi)電子鎮(zhèn)流器輸出電壓的平均值降低，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出功率的目的。

分段PDM控制策略中輸出功率Po隨調(diào)光周期內(nèi)關(guān)斷時(shí)間toff變化曲線如圖9所示。

結(jié)合圖8的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及圖9實(shí)測(cè)的功率隨關(guān)斷時(shí)間toff變化曲線可知，設(shè)置不同的工作周期數(shù)n，改變開關(guān)管關(guān)斷時(shí)間toff可以改變燈負(fù)載的輸出功率Po，與理論分析一致，驗(yàn)證了本文所提新型調(diào)光控制策略的可行性。

5 結(jié)論

本文提出了一種分段PDM調(diào)光控制策略，通過固定諧振變換器工作周期數(shù)、調(diào)節(jié)其關(guān)斷時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率的大小，實(shí)現(xiàn)了高精度平滑、寬范圍的平滑調(diào)光，解決了傳統(tǒng)PDM調(diào)光范圍受限、呈現(xiàn)有級(jí)調(diào)光方式的問題，并且通過分段PDM控制，即不同功率段設(shè)置不同工作周期數(shù)，每一功率段內(nèi)工作周期數(shù)固定，僅改變關(guān)斷時(shí)間進(jìn)行調(diào)光控制，提高了調(diào)光精度。最后研制了一臺(tái)100W的數(shù)控?zé)o極燈電子鎮(zhèn)流器調(diào)光樣機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提新型調(diào)光控制策略的可行性。

[1] D O Wharmby. Electrodeless lamps for lighting: A review[J]. IEE Proceedings A - Science, Measurement and Technology, 1993, 140 (6): 465-473.

[2] C S Moo, H L Cheng, H C Yen, et al. Designing dimmable electronic ballast with frequency control [A]. 1999 IEEE Applied Power Electronics Conference [C]. Dollas, TX, USA, 1999. 2: 727-733.

[3] M F Da Silva, J P De Lopes, N B Chagas, et al. High power factor dimmable lighting system for electrodeless fluorescent lamp [A]. 2010 International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion [C]. Pisa, Italy, 2010. 379-384.

[4] Park Dong Hyun, Kim Hee Jun, Joe Kee Yun, et al. Zero-voltage-switching high frequency inverter for electrodeless fluorescent lamp [A]. IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference [C]. Fukuoka, Japan, 1998. 2: 2035-2040.

[5] H Sugimura, H W Lee, A M Eid, et al. Series load resonant tank high frequency inverter with ZCS-PDM control cheme for induction heated fixing roller [A]. IEEE International Conference on Industrial Technology [C]. 2005. 756-761.

[6] Chang Shien Lin, Wen Shyue Chen. 60 kHz electronic ballast for electrodeless fluorescent lamp [A]. 2009 IEEE International Conference on Industrial Technology [C]. Churchill, VIC, Australia, 2009. 1-6.

[7] Nerone L R. A novel ballast for electrodeless fluorescent lamps [A]. Industry Applications Conference [C]. Roma, Italy, 2000. 5: 3330-3337.

[8] H Fujita, H Akagi. Pulse-density-modulated power control of a 4 kW, 450 kHz Voltage Source Inverter for induction melting applications [J]. IEEE Transactions on Industry Applications,1996, 32 (2):114-123.

[9] X H Cao. Design orientated model and application of electronic ballasts for two toroidal ferrite coupled electrodeless lamps [A]. Twentieth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition[C]. 2005. 3: 1764-1769.

[10] 沈豫,林國(guó)慶,唐建山(Shen Yu, Lin Guoqing, Tang Jianshan).無(wú)極燈電子鎮(zhèn)流器頻率跟蹤控制技術(shù)研究(Research on frequency tracking technology of electronic ballasts)[J].電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2013, 32 (1): 52-55, 75.

[11] 唐雄民,余亞東,李思琪,等(Tang Xiongmin, Yu Yadong, Li Siqi, et al.).典型調(diào)節(jié)方式下負(fù)載諧振供電的DBD型臭氧發(fā)生器負(fù)載調(diào)節(jié)特性研究(Research on load regulation characteristics of DBD type ozone generator under typical adjustment strategies)[J].電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy),2015, 34 (5): 54-58, 80.

Research on PDM dimming technology of electronic ballast for electrodeless fluorescent lamp

ZHU Qi-wei, LIN Guo-qing, DU Zhi-chuan

(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

Based on the analysis of the electrical model of electrodeless fluorescent lamp, a novel piecewise pulse density modulation (PDM) dimming strategy for electrodeless lamp is presented in the paper. The proposed control strategy is used for fine power control and regulation by just adjusting the PDM of switch-off time during the PDM dimming cycle. With the piecewise function, the proposed control strategy sets different dimming stages. According to the different dimming stages, it sets the duty cycle of electrodeless lamp as the switch-on time of PDM, then by adjusting the switch-off time of PDM to realize dimming smoothly and to reduce the dimming control error of electronic ballast in each stage. Ultimately, the proposed control strategy achieves a smooth, high-accuracy, wide-range dimming for electrodeless lamp. Besides, due to the use of DSPIC micro-controller, the control circuit is simple and the operation of the circuit is reliable. Finally, the experiment results have proved the feasibility of the proposed strategy.

electrodeless lamp; PDM; dimming; DSPIC micro-controller

2016-01-29

福建省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015H0017)

朱其偉(1992-)， 男， 福建籍， 碩士研究生， 研究方向?yàn)殡娔艿母哳l變換與控制技術(shù)； 林國(guó)慶(1966-)， 男， 福建籍， 教授， 博士生導(dǎo)師， 博士， 研究方向?yàn)殡娏﹄娮幼兞骷夹g(shù)。

TM46

A

1003-3076(2016)12-0059-06