CN103813602A - 无电极荧光灯调光方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适合于无电极荧光灯负载特性的调光控制方法，将脉冲频率调制（PFM）与脉冲密度调制（PDM）相结合，在满足不同调光输出的基础上，每一个PDM区间PFM调光工作频率均选取在靠近谐振频率处，以实现平滑调光及保证无极灯稳定可靠工作，该控制方法既克服了PFM调光范围不宽的缺陷，又解决了PDM呈有级调光的不足，实现了无电极荧光灯平滑宽范围调光。具有调光范围广、调光精度高和可靠性高等优点。

Description

无电极荧光灯调光方法

技术领域

本发明涉及无电极荧光灯调光技术领域，特别是一种无电极荧光灯调光方法。

背景技术

无电极荧光灯由于其高显色性、高光效、长寿命等优点，已成为理想的新型光源之一，并广泛应用于厂房、道路、广场等照明场所。无电极荧光灯没有电极，依靠电磁感应形成等离子气体放电的基本原理而发光。对无电极荧光灯光源的调光控制既能达到照明节能的目的，又可避免了有害的眩光，是实现绿色照明的重要指标。

目前，国内外针对无电极荧光灯调光控制策略的研究主要集中在整流侧调光与逆变侧调光两个方面，其中整流侧调光又称调幅调光（PAM），调幅调光以斩控调光为主，逆变侧调光以脉冲频率调制（PFM）和脉冲密度调制（PDM）为主。对调幅调光方案，考虑到无电极荧光灯负载特性，当斩控电路输出电压低于额定电压约50%时，可能引起灯负载电压过低造成灯闪烁甚至熄灭，因此调光范围较窄。而对PFM调光方案，当变换器工作频率偏离谐振点太远时，由于灯的放电性能发生急剧变化，导致灯电流随频率变化也非常大，频率稍微增加一点，灯电流就急剧减小，可能出现灯闪烁或熄灭，其调光范围仅为60%～100%。对PDM调光方案，因调光时开关频率基本不变，灯负载电压幅值基本不变，是较理想的调光方案，但这种控制呈有级调光方式，功率调节特性不理想，且由于需要不断地热启动,对无电极荧光灯电子镇流器的启动要求较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种无电极荧光灯调光方法，该方法既克服了PFM调光范围不宽的缺陷，又解决了PDM呈有级调光的不足，实现了无电极荧光灯平滑宽范围调光。

本发明采用以下方案实现：一种无电极荧光灯调光方法，其特征在于：先通过PDM把灯输出功率分成若干功率段，进行功率粗调，再在每个功率段内用PFM进行功率细调；在每一个PDM区间，在满足调光功率的基础上PFM调光工作频率尽量接近谐振频率，在不同PDM区间有同时满足某一调光功率的不同工作频率，则以最接近谐振频率的工作频率及所在的PDM区间为最终调光工作频率和工作区间。

在本发明一实施例中，在调光过程中，所述PDM的频率始终是经PFM调制后的灯工作频率的整数倍，不同调光功率灯工作频率不同，PDM的频率也不同。

在本发明一实施例中，在调光过程中，所述的PFM调制频率与谐振频率之差不能超过Δf值，该Δf取值根据灯特性而定。

在本发明一实施例中，初始阶段PDM频率的确定方式是：先预设PDM频率，再根据调光信号大小确定PDM的工作区间并由PFM调整灯工作频率，最后确定PDM的频率。

本发明将脉冲频率调制（PFM）与脉冲密度调制（PDM）相结合，在满足不同调光输出的基础上，每一个PDM区间PFM调光工作频率均选取在靠近谐振频率处以实现平滑调光及保证无极灯稳定可靠工作，该控制方法既克服了PFM调光范围不宽的缺陷，又解决了PDM呈有级调光的不足，实现了无电极荧光灯平滑宽范围调光。具有调光范围广、调光精度高和可靠性高等优点。

附图说明

图1无电极荧光灯电子镇流器电路结构。

图2是无电极荧光灯电子镇流器简化电路。

图3输出功率与开关频率关系曲线图。

图4新型混合调光控制原理图。

图5混合控制功率曲线图。

图6ΔD过大的情况。

图7不同D值，不同f下半桥下管驱动电压与灯电压波形。

图8不同D值下的PFM曲线图。

图9混合调制功率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本实施例提出一种PFM与PDM相结合的调光方法，PDM为分段调光，PFM为连续调光。先通过PDM把灯输出功率分成若干功率段，进行功率粗调，再在每个功率段内用PFM进行功率细调。在每一个PDM区间，在满足调光功率的基础上PFM调光工作频率尽量接近谐振频率，在不同PDM区间有同时满足某一调光功率的不同工作频率，则以最接近谐振频率的工作频率及所在的PDM区间为最终调光工作频率和工作区间。在调光过程中，PDM的频率不是固定的，PDM的频率始终是经PFM调制后的灯工作频率的整数倍，不同调光功率灯工作频率不同，PDM的频率也不同，PFM调制频率与谐振频率之差不能超过Δf值，Δf取值根据灯特性而定。调光时先预设PDM频率，再根据调光信号大小确定PDM的工作区间（即脉冲密度）并由PFM调整灯工作频率，最后确定PDM的频率。

请参见图1，图1是无电极荧光灯电子镇流器电路结构，该电路由功率因数校正(PFC)电路、电压型半桥逆变电路、串并联谐振回路、耦合线圈和控制电路等组成。其中电压型半桥逆变电路由开关管Q₁和Q₂组成，串并联谐振回路由电感L_r、L_c和电容C_r、C_b等组成。耦合线圈由匝数为Nc的激励电感L_c和无电极荧光灯灯管等离子放电环组成。控制电路由Dspic单片机等组成。图中，所述的率因数校正(PFC)电路的一端与所述开关管Q₁漏极连接，另一端与所述开关管Q₂的源极连接；所述开关管Q₁的源极、开关管Q₂的漏极与所述电感L_r的一端连接；所述开关管Q₁、Q₂的控制端与一驱动器连接；所述电感L_r的另一端与所述电容C_r、C_b的一端连接，所述电容C_b的另一端与所述电感L_c的一端连接；所述所述电感L_c的另一端与所述电容C_r的另一端以及开关管Q₂的源极连接；所述的驱动器由所述的单片机控制，该单片机内设置有中断子程序，首先检测调光信号大小，判断其所处的功率段，设置相应的PDM调制占空度D值，进行功率粗调，再在每个功率段内用PFM进行功率细调。

点灯时，控制电路通过扫频寻找谐振回路固有谐振频率以产生点灯所需的高压脉冲，高压脉冲通过耦合线圈使灯管内的气体被电离，产生紫外线辐射，激发了灯管壁上的荧光物质，发出可见光，灯被点亮。正常工作时，以调光信号作为电流基准，通过检测半桥逆变电路的输入电流，利用所提的PDM和PFM混合调制方法可以实现对无电极荧光灯的调光控制。

为了让一般技术人员更好的理解本发明，下面对本发明技术方案的理论进行分析：

1、镇流器的特性分析

利用等离子体放电环和激励电感线圈之间的耦合关系，把副边元件参数映射到耦合线圈的原边，并进行等效变换，可以得到如图2所示的无电极荧光灯电子镇流器简化电路。其中，u_in和i_in分别为谐振回路的输入电压和输入电流，L_eq、R_eq分别为无电极荧光灯参数映射到耦合线圈原边的等效电感和等效电阻，且L_eq≈L_c。假设电容C_b>>C_r，则谐振电路阻抗Ｚ_eq和固有谐振f₀分别为：

$Z\left(f\right)=j\left(2\mathrm{\πf}\right)L_r+\frac{1}{j\left(2\mathrm{\πf}\right)C_r}//(\frac{1}{j\left(2\mathrm{\πf}\right)C_b}+j\left(2\mathrm{\πf}\right)L_{\mathrm{eq}}//R_{\mathrm{eq}})---\left(1\right)$

$f_0=\frac{\sqrt{\frac{L_r+L_{\mathrm{eq}}}{L_r{L}_{\mathrm{eq}}{C}_r}-\frac{1}{2{R_{\mathrm{eq}}}^2{C_r}^2}}}{2\mathrm{\π}}---\left(2\right)$

式中，f为变换器的工作频率。

根据图2并结合式（1）、（2），可以推导出谐振回路的输出电压增益为：

$M_u=\frac{U_o}{U_{\mathrm{in}}}=\frac{1}{(\mathrm{\α}+1)\sqrt{{(({\mathrm{\β}}^2-\frac{{\mathrm{\β}}^2}{2Q^2})-1)}^2+\frac{({\mathrm{\β}}^2-\frac{{\mathrm{\β}}^2}{2Q^2})}{Q^2}}}---\left(3\right)$

式中， $\mathrm{\α}=\frac{L_r}{L_{\mathrm{eq}}},\mathrm{\β}=\frac{f}{f_0},L=\frac{L_r{L}_{\mathrm{eq}}}{L_r+L_{\mathrm{eq}}},Q=R_{\mathrm{eq}}\sqrt{\frac{C_r}{L}},n_c=\frac{C_r}{C_b},Z_0=\sqrt{\frac{L}{C_r}}=\sqrt{\frac{L_r{L}_{\mathrm{eq}}}{C_r(L_r+L_{\mathrm{eq}})}},$

U₀是输出电压u₀的基波分量有效值，U_in是输入电压u_in的基波分量有效值。

则输出功率Po表达式：

$\mathrm{Po}=\frac{{U_o}^2}{R_{\mathrm{eq}}}=\frac{1}{R_{\mathrm{eq}}{(\mathrm{\α}+1)}^2}\frac{{U_{\mathrm{in}}}^2}{{(({\mathrm{\β}}^2-\frac{{\mathrm{\β}}^2}{2Q^2})-1)}^2+\frac{({\mathrm{\β}}^2-\frac{{\mathrm{\β}}^2}{2Q^2})}{Q^2}}---\left(4\right)$

输出功率Po与变换器工作频率f关系曲线如图3所示。

当β=1，即f=fo时，输出功率取得最大值：

$\mathrm{Pm}=\frac{4Q^4}{R_{\mathrm{eq}}{(\mathrm{\α}+1)}^2}\frac{{U_{\mathrm{in}}}^2}{(1+8Q^4-4Q^4)}$

为使调光时电路仍工作在ZVS区域，变换器的工作频率选取在大于谐振频率的感性区域。从图3可以看出，在该区域输出功率随频率增加而减小，因此在此区域可以通过PFM方式调光，但是当变换器工作频率超过一定值时，灯的放电性能将发生急剧变化，导致灯电流随频率变化也非常大，频率稍微增加一点，灯电流就急剧减小，可能导致灯闪烁或熄灭。因此为保证无电极荧光灯稳定工作，调光时变换器工作频率只能在一定的范围内，其调光范围受到了限制。

2、新型调光原理分析

根据传统PDM控制原理，有：

$P_{\mathrm{fo}}\left(D\right)\≈P_m\·\frac{M}{N}=P_m\·D---\left(6\right)$

式中

表示脉冲密度调制调制占空度，N为在一个固定的工作时段T内总的驱动脉冲个数，M为一个工作时段T内驱动脉冲正常工作的个数。由式（6）可知，谐振频率fo处的输出功率P_fo近似与D成正比。

结合式（4）、（5）、（6）可推导出输出功率Po与变换器工作频率f和PDM调制调制占空度D的关系式：

$\mathrm{Po}(D,f)\≈\frac{{U_{\mathrm{in}}}^2}{R_{\mathrm{eq}}{(\mathrm{\α}+1)}^2}\frac{D}{{((\frac{f^2}{f{o}^2}-\frac{f^2}{2f{o}^2{Q}^2})-1)}^2+\frac{(\frac{f^2}{f{o}^2}-\frac{f^2}{2f{o}^2{Q}^2})}{Q^2}}---\left(7\right)$

由式（7）可知，改变变换器工作频率f或者PDM调制占空度D均可改变无电极荧光灯电子镇流器输出功率Po，实现调光控制，如图4所示：

图4（a）中，有M1=N1，M1′=N1′，则D=1，即PDM不起作用，仅通过PFM调制输出电压，且f越大，输出电压幅值和有效值越小；图4（b）和图4（d）中，有M2≠M4，N2=N4，T2=T4，则D2≠D4，即在相同的变换器工作频率f下，仅改变PDM调制占空度D值，变换器输出电压uo的幅值基本不变，但有效值随之改变，且D值越大，有效值也越大；图4（b）和图4（d）中，有M3=M4，N3=N4，虽然T1≠T3，但由式（6）可知，占空度D只与M和N有关，而与T值无关，所以有D1=D3，即在相同的PDM调制占空度D下，仅改变变换器工作频率f，变换器输出电压uo的幅值及其有效值均随之改变，且工作频率f越高，有效值也越小。须指出，图4（b）和图4（d）中由于在PDM调制中嵌入了PFM调制，如果采用传统PDM调制时固定T和N值的方式，则当变换器开关频率f改变时，将无法保证在一个固定的工作时段T内，驱动脉冲个数N（或M）为整数。本文采用仅固定N值，通过改变M值改变PDM调制占空度D，而T值随工作频率f而变，且有

3、调光策略实现

根据式（7），分别绘制不同D值下，输出功率Po与开关频率f关系曲线，如图5所示，其中D=1>D1>D2>D3>...>Dn；且D1*Pm=a；D2*Pm=b；Dn*Pm=c。

图5中，D=1为仅通过调节变换器工作频率f控制输出功率，在[fo～（fo+Δf）]的变换器工作频率区间内，可以实现输出功率在[1*Pm～a′]之间变化；D=D1为固定PDM调制占空度为D1，在[fo～（fo+Δf）]工作频率区间内，通过调频可以实现输出功率在[D1*Pm～b′]之间变化。依此类推D=D2,...,D=Dn曲线。

表1混合控制功率分配

图5中实线部分为本文所提出的PDM与PFM混合控制功率曲线图。通过在不同的调功段设置不同的PDM调制占空度D值，实现输出功率连续的宽范围控制。如图5，在[1*Pm～a）的功率段，固定PDM调制占空度D=1，通过PFM调制实现该功率段的调节，且该功率段频率变化范围为[fo～f1）；在[D1*Pm～b）的功率段，固定PDM调制占空度D=D1，通过PFM调制实现该功率段的调节，且该功率段变换器工作频率变化范围为[fo～f2）。类似的，得到PDM与PFM混合控制时Po与D、f配合方式如表1所示。

由于在同一个调功段，PDM调制占空度D是定值，即在该功率段内仅利用PFM通过调频控制输出功率，因此解决了前述单一PDM调制时呈有级调功的不足。且与单一PFM调制相比，由于在不同的调功段，加入了不同的PDM调制占空度D，使得变换器在相同的开关频率限制范围[fo～（fo+Δf）]内，调光范围拓宽了,同时，由于在D=Dn之前的每个功率段，变换器工作频率变化范围都小于单一PFM工作时的变化范围，如表1中[1*Pm～a）的功率段，频率变化范围为[fo～f1），小于[1*Pm～a′）功率段的[fo～（fo+Δf）]，而只在D=Dn的功率段才将频率变化范围控制为[fo～（fo+Δf）]，因此，PDM与PFM混合控制调光策略既能保证调光时变换器工作频率尽可能靠近谐振频率，又能最大限度的拓宽调光范围。

值得一提的是，在每个功率段的交界处，如图5中D1*Pm与a处，虽然有D1*Pm=a，但电路工作点并不会在两点之间跳变不定，因为对于每个特定的功率点，通过程序设定的PDM调制占空度D是固定的，即所处功率曲线段是固定的，于是通过闭环反馈，电路的负载工作点也只能是该D值所对应的功率曲线上的某点，而不会跳到其他D值所对应的功率曲线上。本实施例取D1*Pm，D2*Pm，…,Dn*Pm等为功率段交界处的工作点。

对于PDM与PFM混合控制调功方案，应适当设置每个相邻功率段两个PDM调制占空度D的差值ΔD。ΔD过大会出现调光不连续；ΔD越小虽可以使得每个功率段的频率变化范围越小，但程序繁杂，系统可靠性降低。如图6所示，当ΔD相差太大，如前一个调功段设置为D=1，在[fo～（fo+Δf）]的频率变化范围内，功率的变化范围为[1*Pm～a]，下一个调功段设置为D=D2，在[fo～（fo+Δf）]的频率变化范围内，功率的变化范围为[D2*Pm～c]，这样（a～D2*Pm）段的功率便无法调节。

针对所提PDM与PFM混合控制方案，本发明利用Dspic单片机进行数字化实现。在中断子程序中，首先检测调光型号大小，判断其所处的功率段，设置相应的PDM调制占空度D值，利用单片机引脚改写功能输出相应的PDM调制脉冲。同时，根据检测的电流给定Iref值和直流侧输入电流采样Id值，计算两者误差，通过PI环节调节变换器工作频率f实现该功率段的调光控制。

4、实验结果

为了验证理论分析的合理性，设计了一台数控无电极荧光灯电子镇流器原理样机。主要参数如下：满载输出功率P_o=100W，PFC输出直流电压U_dc=400V，谐振电容Cr=4.7nF，电感Lr=250μH，L_eq=156μH，死区时间t_d=280ns，电容C_b=0.1μF。以10个变换器工作周期作为一个PDM调制周期T，即N=10；同时考虑到无电极荧光灯负载特性，取PDM调制占空度最小值Dmin=0.4，并设置ΔD=0.1。实验结果如图7，图8和图9所示。

从图中可以看出，当D=1时，当工作频率从235.0kHz变为251.3kHz时，输出电压有效值从186.5V变至165.4V；当工作频率为235kHz不变时，D从0.9变为0.7，输出电压有效值从165.1V变至146.8V；当D=0.4时，工作频率f从235.2kHz变为265.0kHz时，输出电压有效值从108.6V变至91.2V；采用PDM与PFM混合控制，输出电压有效值从图7中（a）的186.5V连续调至图7中（f）中的91.2V，因此，实现了较大范围的调光控制。

图8所示为在不同D值下，灯负载功率Po随变换器工作频率f变化的曲线，对比图5可以看出，实验结果较好地验证了理论分析。图9所示为采用本文所提的PDM与PFM混合控制策略时，灯负载功率Po随D与f变化的曲线，可以看出，PDM与PFM混合调制的方式相比于单一PFM调制（即图8中D=1的曲线）调光范围拓宽了，且在D大于0.4之前的调光段，频率变化范围均小于单一PFM调制时的频率变化范围，同时解决了单一PDM呈有级调光的不足，实现了无电极荧光灯电子镇流器连续的宽范围的调光。实验结果验证了本文所提方案是可行的。

表2混合控制灯负载功率实验测量值

5、结论

本发明结合无电极荧光灯负载特性，提出了一种新的PDM与PFM混合控制策略，并对所提控制策略进行了理论分析，该控制策略克服了单一PFM调光范围窄的缺陷，且保证调光时变换器工作频率尽可能的靠近谐振频率。解决了PDM呈有级调光的不足，可实现无电极荧光灯电子镇流器平滑的宽范围调光。最后研制了一台100W的数控无电极荧光灯电子镇流器调光样机，通过实验验证了这种新的调光控制策略的可行性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种无电极荧光灯调光方法，其特征在于：先通过PDM把灯输出功率分成若干功率段，进行功率粗调，再在每个功率段内用PFM进行功率细调；在每一个PDM区间，在满足调光功率的基础上PFM调光工作频率尽量接近谐振频率，在不同PDM区间有同时满足某一调光功率的不同工作频率，则以最接近谐振频率的工作频率及所在的PDM区间为最终调光工作频率和工作区间。

2.根据权利要求1所述的无电极荧光灯调光方法，其特征在于：在调光过程中，所述PDM的频率始终是经PFM调制后的灯工作频率的整数倍，不同调光功率灯工作频率不同，PDM的频率也不同。

3.根据权利要求1所述的无电极荧光灯调光方法，其特征在于：在调光过程中，所述的PFM调制频率与谐振频率之差不能超过Δf值，该Δf取值根据灯特性而定。

4.根据权利要求1所述的无电极荧光灯调光方法，其特征在于：初始阶段PDM的频率的确定方式是：先预设PDM的频率，再根据调光信号大小确定PDM的工作区间并由PFM调整灯工作频率，最后再确定PDM的频率。

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