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浅谈无极灯的磁性器件

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  • 更新日期:2012-08-06 11:04
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详细介绍
文章简要介绍电磁无极灯的工作原理、结构、特性以及无极灯的关键部件——镇流器、磁耦合器的关键问题。

摘要:  文章简要介绍电磁无极灯的工作原理、结构、特性以及无极灯的关键部件——镇流器、磁耦合器的关键问题。

关键字:  电磁无极灯镇流器磁耦合器节能环保

1 引言
在节能环保理念日益深入人心并为人们在日常生活中接受与落实,从而不断掀起各种类型的节能行动。“无极灯”(Electrodeless Lamp)就是涉及到几乎每一个人的“绿色照明”节能行动中的一例。“无极灯”这个名词,在广大老百姓的耳闻目睹中,以及在大众媒体的报道中,目前还是一个出现频率很低的词,社会认知度不高。但绿色照明是潮流,所以电磁无极灯必定具有良好的发展前景和广阔的市场空间,故照明器材行业以及与其相关的磁性材料、磁性器件行业都以浓厚的兴趣行动起来,一些企业已投入相当的人力、物力和资金开展深入的研究工作。
无极灯是高频电磁等离子体放电灯的简称,因为它没有如我们当今大量使用的白炽灯那样的电极与灯丝,故被称呼为“无极灯”或“电磁无极灯”。无极灯没有电极,不用灯丝,是依靠电磁感应的方式发光的。无极灯的工作原理理论可以追溯到1880年,在历时了100多年的漫漫坎坷曲折路程后,直到上世纪90年代才出现了样品,市场前景也开始显现。
无极灯在工作中需要进行“电能、磁能、光能”三方面能量的变换,本文简要介绍电磁光三种能量变换的关键部件电子镇流器(逆变器)和磁耦合器。
2 无极灯的工作原理
无极灯这种新型电光源的诞生,是电子技术应用、磁学(磁性材料与器件)应用、电光源三方面新技术成果的结晶。也就是说,无极灯的开发必须掌握电能、磁能、光能三方面能量变换的核心装置——电子镇流器(逆变器)和磁耦合器。无极灯是这样工作的:当市电通过无极灯中的高频镇流器变频,产生一个2~3MHz的高频正弦电流;该电流流经磁耦合器时建立起一个高频磁场,它产生能量很强的磁力线。该磁力线具有穿透一切非磁性物体(如玻璃、陶瓷、塑料、木材等)的能力。在其作用下,将在涂有稀土荧光粉的玻璃泡(壳)内瞬间产生高频电场,不断激发玻壳内部的汞原子产生电离雪崩效应,瞬间在玻壳内形成汞的等离子体,产生波长为253.7nm的很强的紫外线辐射,作用于灯管(泡)内的荧光粉,使其有效地转变为高能量的可见强光。
3 无极灯的组成
无极灯组成包括灯管(泡)、磁耦合器(有内置型和外置型两种结构)、电子镇流器(高、低频型)等三部分组成(见图1)。电子镇流器的功能是频率变换和驱动磁耦合器,磁耦合器则进行电磁转换。灯管(泡)与磁耦合器是电子镇流器的负载。
在无极灯的灯管(泡)内没有金属电极和灯丝,灯体部分也不存在易损元件,所以无极灯的寿命非常长,可以达到6~10万小时以上。同时,作为灯管(泡)的玻璃壳内壁涂有氧化铝金属粉层,这相当于在玻壳内壁建立了一个金属屏蔽层,可以阻挡电磁波的外泄,从而使高频电磁无极灯不会产生超出国际标准规定的电磁空间辐射。当然,该屏蔽层会阻挡掉一部分光照,使灯管(泡)不能达到最佳亮度。
无极灯镇流器将85V~265V、50Hz/60Hz的电网电能高可靠、高效率地变换为驱动灯管(泡)所需要的高频(180~250kHz或2~3MHz)交流形式的电能,磁耦合器将高频电能转变为能量很强的磁力线。
无极灯管(泡)的性能与使用寿命主要取决于高频电子镇流器和磁耦合器的高可靠性、高稳定性的运作,这里的关键是它们的技术与材料的支持。
4 无极灯电子镇流器的核心技术
4.1 无极灯的灯管(泡)特性
无极灯的灯管(泡)有三大特性:
(1) 负阻特性:即灯管的等效电阻随着温度T的上升,阻抗呈下降状态,所以,镇流器需要有限流功能。否则,灯管的功率会不断上升,直到电路或者灯管被损坏。
(2) 启动特性:灯管启动时,需要高达数千伏特的电压和足够大的功率,才能使灯管中的气体由高阻状态进入工作时的额定等效阻抗。
(3) 温度特性:环境温度不同,灯管的初始等效阻抗值会相差巨大。这一特性使得灯管在低温下启动有很大影响,即难以启动。[#page#]
根据以上特性,可以从灯管(泡)和驱动供电两方面解决,后者即用镇流器(见图2)。
与普通日光灯、高强度放电灯(HID)所用方法一样,在负载和电源之间串接一只电感器,这个电感器就是镇流器电感,或者叫做扼流电感,其作用是稳定负载电流原理中的一种负反馈调节,在通常的工频情况下,为获得镇流器所需求的电感量,其体积与重量都较大。为了减小体积和重量,主要办法是提高镇流器的工作频率,因而引入了变频器,这就是在节能灯、无极灯中通称的电子镇流器。然而,为了变频以及提高功率因数又将带来电磁干扰,为此将不得不增加电路来解决电磁干扰问题,所以,为了实现镇流,会把电路搞得相当复杂。
关于灯管(泡)的启动问题,对于普通的日光灯和HID灯的启动是利用镇流器电感的反向冲击电压与电源电压叠加产生的高压来启动。无极灯电子镇流器则是利用谐振原理产生的高压实现启动。无极灯的启动除了要供给高电压以外,还要求足够大的功率,只有启动电流达到灯管(泡)的启动功率要求,才可能有效地启动灯管(泡)。
关于灯管(泡)的第三个温度特性,如果温度降低,灯管(泡)的初始等效阻抗则会大幅度提高,使得在相同谐振电压的情况下的启动电流相对减小,这将造成灯管(泡)启动困难。
此外,无极灯管(泡)与其它的灯具部分需要恰当的配合,以获得良好的散热效果,也是充分发挥无极灯优良性能的重要保证之一。
4.2 关于无极灯镇流器变频过程中的效率问题
电子镇流器的效率直接影响着无极灯是否节能高效。关于效率问题,一般认为应在考虑合理成本的前提下,以保证电路正常、安全工作为原则,在设计电路时尽量进行简化,同时以系统所有参数最优为目标,杜绝短板效应,把降耗高效放在首位。
电子镇流器所用元件都是物理元件,只要它们处于工作状态必然会有能量消耗,当然,不同的元件所产生的损耗是具有不同性质与特点的,人们常把其分为两类:一是固定损耗类,例如,二极管、电阻器、导线、磁心等等。这类元件参数的设计简单,只需要根据电路原理、功率、耐压等一些基本参数的要求,精选元件就能实现最低的能量损耗。二是可变消耗类,例如,场效应管(三极管)、电容器、电感器。这类元件的设计与选择是降低损耗的关键。所以,设计中不仅要考虑单个元件的参数,同时应考虑电路的整体综合优化,这是一项系统性很强的工作。
使用场效应管作开关管时,驱动性能是影响场效应管功耗的重要因素,所以要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,接通时的加速电路,断开时抽取贮存电荷等等。测试不同生产厂商的产品后,可以发现这样的现象:有些电子镇流器的波形良好,但功耗较大,场效应管的温度也较高,时有烧坏管子的情况发生;而有些产品波形一般,但功耗并不很差,温度也不很高,出现故障的情况很小。如果只从驱动的角度分析,这种现象就解释不通。所以,设计中要把驱动、电路、负载特性、电源供电等进行综合理论分析,即进行了系统参数优化,要避免短板效应,这样即可说明该现象存在的合理性。
在设计、生产镇流器时,要按优化电路模型计算与调整各个部件的参数,使产品的总损耗下降,而其可靠性和稳定性得到提高。
贮能元件电容器和电感器以及传输元件变压器都是非线性的,它们的能耗参数设计容易被一些厂商忽视。有些设计师一般只考虑电路功能的需要,较少在降耗上做文章。从理论上讲,这些元件只是贮存和传递能量而耗能不多,但是,由于在实践中从参数设计、材料选用,制作工艺等等方面都与理论上有所区别,故最终发生在这些元件本身的能耗与理论值相差甚远,所以在无极灯(尤其是大功率无极灯)镇流器的设计生产中对元件本身的耗能问题必须下功夫解决。
输入镇流器的电流,除了基波以外,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对公共电网会造成严重的影响,尤其是谐波干扰。这种周期性的脉冲电流很尖很窄,将使直流脉动电压的起伏变大,从而使灯电流的波峰系数变大,将影响灯管(泡)的寿命和光通量的波动增大,对人们的视力造成伤害。
抑制谐波的措施是尽可能提高镇流器的功率因数Q值,减小输入电流的谐波失真。为此,必须提高整流管的导通率(即延长输入电流的导通时间),使电源电流的波形接近于电压的正弦波,减小电流的波形失真。同时,还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(PFC)电路的工作原理。功率因数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器因限于成本价格因素,大都采用改进逐流电路组成的无源谐波抑制电路。这项技术比较成熟,只要调试得当,镇流器的谐波分量即可得到有效抑制,功率因数Q值可以达到0.85~0.90。不过,这种电路的调试难度较大,在大批量生产中难以控制产品质量的一致性,而且,基本上无法同时满足电磁兼容性标准和性能参数标准的要求。有源校正(APFC)电路是采用三极管等分立有源器件组成谐波抑制电路,或者采用专用集成电路的谐波抑制电路,功率因数Q值一般可以达到0.95~0.99,而且APFC电路的调试要比前者简单,产品可靠性更高。[#page#]
无极灯中的电磁干扰(EMI)主要是辐射干扰和传导干扰两类。辐射干扰是指向空间发射电磁波,故又称射频干扰;传导干扰是指电网的干扰,其主要来源是功率因数校正、变频输出、电路耦合等部位。由于无极灯的工作频率很高,输出功率大,在开关过程中功率管的硬开关特性会产生大量的奇次谐波与偶次谐波干扰,相对而言,变频输出(即镇流器的工作频率)的干扰占大部分。在EMC测试中,显示出工作频率与其倍数频率附近的干扰明显增大。随着镇流器功率的增大,干扰强度也增大。对于这个问题,必须从输入级的滤波电路、功率因数校正电路、谐振电路上着手做出相应处理。高频电路的印制电路板(PCB)设计、结构和制造工艺对EMC都有重要影响,故对PCB上重要元件的位置、走线、接地、散热等都要认真分析,合理放置。在经过对电子镇流器进行传导、辐射测量得到的大量数据分析后可知,电子镇流器所产生的电磁干扰中,在9~150kHz的频率范围内以差模干扰为主。150kHz~30MHz频率范围内以共模干扰为主。因此,只要找到干扰源及其产生干扰的原因,采取相应的措施抑制其干扰,达到EMC标准是办得到的。
抑制EMI干扰,除了在镇流器的输入端(电源端)串接EMI滤波器外,还可以在镇流器产生干扰的部件上做文章。由以上分析可知,开关管在其导通或切断的瞬间会产生幅值较大的脉冲电压或电流,只要把这个脉冲电压或电流消除或者减弱即可降低镇流器的干扰电压。为此,可分别在开关管基极和发射极之间并联一个瓷介电容器,这将可降低晶体管的深饱和,有利于降低脉冲电压的幅度,同时还可以防止开关管的共态导通,不致于造成开关管损坏;或者,在开关管集电极和发射极之间加入阻尼网络,用来吸收其通断之间产生的浪涌电流,为开关管起保护作用,并有效降低干扰强度。
4.3 无极灯镇流器谐振电路的参数设计
镇流器的谐振电路由镇流电感、耦合电感和谐振电容组成,在通电时产生谐振电压、灯亮后镇流电感与耦合电感构成稳定的电压分配关系。电路设计中应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,它们应在合理范围内选取。
无极灯镇流器的工作频率,目前有自激震荡驱动的2.65MHz和它激震荡驱动的250kHz两种,一般为固定频率。当频率、灯管(泡)功率确定后由灯管(泡)的功率向前反推出设计参数。设计谐振参数时,将灯管(泡)设置为开路状态,镇流器电感L1耦合器电感L2、电容C2组成一串并联电路,并设谐振频率为f0;通常取L1、L2基本相等,并且根据灯管功率、灯管温度、耦合器线径、匝数、磁环参数等即可确定电感量值。耦合器与灯管(泡)相似于变压器的关系,其初级为耦合器、次级为灯管(泡),次级电流将改变初级电感量,使谐振电路的参数发生改变,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)。而且,镇流电感的负反馈作用可以调节灯管(泡)的功率。适当地提高谐振电压和反馈电压幅度,将有利于在低温启动时留有充分的余量。
4.4 异常情况下无极灯的保护
无极灯在异常情况下的保护主要有以下几个方面:高温保护、过电压保护、启动保护、工作中的保护。
无极灯电子镇流器是一类电子元器件,在长时间超过70℃以上的状态下工作时,容性元件的使用寿命会大幅度降低,必须设计高温保护电路来保证其寿命和工作稳定性。
在存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,如果没有有效的电路把这种瞬间高能量导出电路以外。将会对镇流器产生永久性破坏。所以,要根据不同的浪涌电压等级设置不同强度的保护电路。
启动保护是指灯管(泡)因漏气、低温等状况下点火失败时,电路处于容性或弱感性状态下时对电路的保护。大部分的无极灯损坏属于这类现象。故启动保护十分关键,可以根据不同情况采取多重保护措施。
工作中的保护是指灯管(泡)被正常点亮之后,对管壳破裂、漏气、功率激增等异常情况的保护。在出现这些异常情况时,若保护电路反应时间过长或者没有保护措施,则镇流器会在极短时间内被损坏。[#page#]
无极灯的异常保护一般分为非锁定和锁定两种方式:非锁定方式指在保护过程中,开关管仍处于工作状态,保护状态不断启动。如果保护状态启动时间较长,容易造成功率开关管或保护开关管损坏。锁定方式指开关管在保护过程中不工作,电路支持保护状态一定时间(国家标准要求大于50秒),然后重启电源开关工作。
以上分析了无极灯镇流器技术的几个关键环节,包括变频、高变换效率、EMI滤波器、谐振电路设计,异常情况下的保护等。目前,各厂商设计生产的无极灯的工作原理大体相同,但在结构、制造工艺和电路的异常保护方面的参数设计上有所区别,关键技术也基本一致。
5 无极灯磁耦合器的主要关键技术
5.1 无极灯磁耦合器的作用及其基本要求
a. 磁耦合器的作用
磁耦合器的作用就是完成电能、磁能与光能的转换。磁耦合器将经过电子镇流器产生的高频电能高效地转换为能量很强的磁力线,该磁力线不断激发灯管(泡)内汞原子的核外电子,形成等离子体,产生波长为253.7nm的强紫外线辐射,进而不断作用于灯管(泡)内的荧光粉,继而有效地转变为高能量的可见强光。图3为几种常见的磁耦合器。
b. 磁耦合器的基本技术要求
鉴于磁耦合器的作用需要,磁耦合器应达到以下基本技术要求。
①能产生高能量的磁通,并尽量减小体积;
②高效率地将电磁能转变为光能,以获得高能量的光效;
③对于大负荷的无极灯,可以在允许的高温范围内工作,不致在允许的温度范围内失去磁性使耦合器失效;
④在极低温度的情况下,不会因为磁导率或电感量下降而致振荡不会起振、耦合器不能启动而使无极灯不能点亮;
⑤联系耦合器的上述基本技术要求,对耦合器所用的磁性材料应具备如下特性:高磁导率,高磁通密度,高居里温度,宽工作温度和低功耗。
5.2 磁耦合器用磁性材料性能要求分析
选用磁合器的磁性材料,总的原则是选优质的能兼顾耦合器所要求的主要性能。现以日本TDK公司的PC95材料为例进行分析:
①工作频率f=200kHz时,当磁密B1=100mT,则损耗Pc1=350mw/cm3;
当B2=200mT,则Pc2=1800mw/cm3。
所以ΔPc=1800/350=5.14(倍)。
当B3=300mT,则Pc3=5000mw/cm3
ΔPc=5000/350=14(倍)。
②f=100kHz时,
当磁密B4=100mT,则Pc4=200mw/cm3
B5=200mT,Pc5=600mw/cm3
ΔPc=600/200=3(倍)
③在相同的工作磁密时,
当f1=100kHz,则Pc1=600mw/cm3
f2=200kHz,Pc2=1800mw/cm3
ΔPc=1800/600=3(倍)
由以上数据可以得出结论:影响Pc最大的因素是工作磁密B(mT),其次是工作频率f(kHz)。可以列出以下表达式:
Pc=Kf mBNV c
Pc(mw)=Kf mBNV e或Pcv(mw/cm3)=Kf mBN
当f >100kHz,m>1.3,N=2.5,K—常数。即
Pcv=K·f 1.3·B2.5(mw/cm3)
由此可见,正确选择工作磁密很重要,一定要把B值降到安全可靠的允许值范围内,通常认为B=50~100mT比较合适,在恶劣环境下此B值尤为重要。其办法是合理给出磁体的工作截面积和线圈的匝数。
另外,温度对Pcv也有较大的影响。例如,某种磁材在20℃时的Pc比100℃的Pc要大一些。应该说,每种磁材都有它的一个最低功耗温区,但是,不同磁材的温区虽有差异但都不大。并且,在最低功耗温区内还具有最小的各向异性常数K≈0。无极灯的耦合器应调试到最低功耗温区内工作。
由以上分析可知,选择磁耦合器使用的磁性材料的基本具体要求是:具有高Bs、低Br值,Bs/Br≥3的磁性材料可以用作开关磁心。具有三高(即高Bs,μo,θc)一低(低Pcv)的磁性材料才是大功率低频无极灯应选用的优质磁性材料。在恶劣低温环境下工作的无极灯耦合器用磁材的B值应选在50~100mT。因为B值对Pc的影响最大,其表达式为:Pc=Kf 1.3B2.5(mw/cm3),影响次之则为f。同时,为减小损耗,磁心应作成环形。

参考文献
[1] 21IC电子网
[2] 中国电子变压器、电感器第四届联合学术年会论文集
[3] 中国电源学会第十七届学术年会论文集

 
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