用在荧光照明中的功率电子器件

　　为了降耗节能，用荧光灯、LED或HID替代白炽灯的工作正在全世界范围内进行，并取得了巨大进展。举例来说，电子变压器已用来驱动低电压卤素灯，用于荧光灯的磁性镇流器已经被电子镇流器所取代，而LED已经使用高效的开关电源。其中，替换50/60Hz铁芯变压器或镇流器的主要原因是为了提升效率。不过，新型电子镇流器虽能带来更高的性能和更小的质量或体积，但价格仍偏贵。然而，取决于具体应用，特别是考虑到电子镇流器能降低能耗的时候，用其取代磁性镇流器的投资回报时间就不会超过一年。

　　对荧光灯照明和电子镇流器的封闭检查

　　经典的磁性镇流器和启辉器能完满执行荧光灯的工作要求（见图1）。最初，起辉器S1关闭，电流流经电感L1和灯丝FL。当起辉器经一段时间启动后，灯丝已处于高温状态，电流的急剧变化会导致电感产生高电压并通过灯泡。当灯被点亮后，电感的感抗就会限制放电电流。

　　图1 磁性镇流器原理

　　磁性镇流器的缺点

　　这个简单镇流器的一些缺点是明显的，而另一些则不是。首先，启辉器会在线电压零交叉时启动。此时的电流比较小，启动电压也是如此，灯泡也许不会启动。整个系统效率较低，而这要归结于两个原因。首先是价格的风险，电感自身的高损耗是公认的。第二是离子在线电压零交叉时要重新结合，而在下个半周期中又要被离子化，后面的行为会导致可观的能量损失。

　　电子镇流器的优点

　　电子镇流器的一个主要优点是其有很高的频率（一般为30～60kHz）。由于此高频率，离子的重组合不会发生，灯泡的效率会增加10%（相比于工作在50/60Hz时）。此外，电子镇流器本身的设计效率要高于90%，当同FL一起工作时，能轻易节省30%的能量。

　　在欧洲最流行的FL镇流器拓扑是电压馈电系列共振半桥（见图2）。

　　图2 FL镇流器的结构框图

　　半桥能被不同的频率驱动，占空比约为50%。在启动阶段，只要FL不被点燃，镇流器控制器就会产生高于L1/C1的共振频率。于是，大电流流经灯丝将其加热到预期的温度。当经过一段决定于外部元件的时间后，控制器开始降低工作频率以达共振。其结果，通过灯泡的高电压产生了，灯泡被点亮。点亮后，FL的阻抗会对共振电路进行抑制，使灯泡上的电压接近工作电压。在许多应用中，灯泡电流被直接或间接地感应到，工作频率会被调整到预置点。而只要工作频率超过L1/C1的共振频率，MOSFET就会进行软开关，在EMI被降低的同时，开关损失可忽略不计。

　　带有快速恢复二极管的MOSFET会非常适合如图1那样的应用。集成快速恢复体二极管的500V和600V Q-FETTM，以及600V SuperFETTM都属这种类型。因为上部MOSFET的栅极需要高电压驱动，所以高压侧的栅极驱动是必须的。高电压驱动器芯片，像飞兆公司的FAN7380、FAN7383、FAN7384以及FAN7382都符合这些要求并具有很好噪声免疫能力。此外，还有具备安全和控制功能的纯镇流器驱动器FAN7544和集成高压栅级驱动的控制器FAN7532。

　　功率因数校正

　　按照电流国际标准要求，如果照明设备的功率超过25W，就必须使用功率因数校正。这里有两个原因：一个是白炽灯泡的特性像一个电阻，也就是说电压和电阻是同相的。二是照明只消耗了总功率的10%～12%，一天要工作几小时，相比于其他设备是相当长了。因此，如果照明电器没有进行功率因数校正，就会导致电源网络上的大量额外损失。

　　因为多数设备的总功耗都在150W以下，所以临界模式PFC是最经济的解决方案。在这个模式下，通过控制电感的峰值电流，电流峰值就能同整流后的输入电压成比例。在空闲时间，电感电流回落到零，也就是电感的退磁会启动下个开关周期。很容易看到电感的平均电流同输入电压成比例，这就是预期的结果。这里还有两种不同的方法来控制电感的峰值电流。在FAN7527的电流模式下，整流后的线电压会感应出参考电流，其能设定峰值电流的实际值。而在FAN7529的电压或恒定工作时间模式下，开关设备的工作时间在一个或多个线性半周期中是保持恒定的。保持工作时间恒定，峰值开关电流又再次同输入电压成比例，并能从基本的微分式dI/dt =V/L中解出来。这两种模式的共同点是输出电压的感应和稳压。

　　图3 转换模式PFC的电压模式控制应用框图

　　低价镇流器有多种PFC拓扑，或用高感抗的铁芯扼流圈平滑输入电流，或弃用功率开关和控制器IC而使用电荷泵PFC。在这种拓扑中，半桥结构用来驱动荧光灯和PFC（见图4）。因为灯泡的电源必须稳压，且没有额外的度数用来控制PFC，所以很难找到合适的L和C来形成良好的功率因数并将灯泡稳定在很宽的输入电压范围内。这就是为什么这种解决方案很便宜，却很少使用的缘故。

　　电子镇流器的另一个特点是能“完美”地预热灯丝，使得灯泡的寿命完全不会依赖开关周期的次数，并能不闪烁地启动和工作，在不同输入电压下保持恒定亮度和具有高功率因子。最后，对应急照明尤其重要的是，电子镇流器能工作在直流输入电压下，即可采用电池供电。

　　图4 带电荷泵PFC的自振荡镇流器

　　灯寿终（EOL）探测

　　在气体放电中，有个接近阴极的区域，放电电压在此处下降很快，且没有光发出，因此被叫做“阴极势降”。根据电压降和电流，这个区域会产生相当的功率耗散。随着灯泡工作时间的增加，灯丝的发光性会变差，而阴极势降也会增加。结果，接近阴极的功率耗散增大，这个区域也就会变得越来越热。如果灯管的直径很小，它就很容易被加热到熔点。因此，灯管越细，对一种叫EOL特性的检测就变得越来越重要。尤其是对于T5，这个特性是必不可缺的，它已被包含在用于荧光照明的欧洲安全标准中。

　　通常情况下，FL是在交流模式下工作的，每个灯丝会有50%的时间成为阴极。幸运的是，两个灯丝中的一个会首先丧失发射率，灯泡因而变得不均匀。这样，监控整个灯泡的电压或工作电压/电流的对称性就有可能探测到EOL。

　　紧凑型荧光灯（CFL）的封闭性检查

　　CFL包含了一个集成在灯泡中的电子镇流器。因为替代了白炽灯泡，当FL有缺陷时这些镇流器就会被丢弃。这就是为什么一个CFL的电子器件不必要有FL镇流器那样长的寿命。此外，因为空间受限且PFC被弃用，功率也会受限。总之，虽然有同样的基本结构，CFL却使用了与FL镇流器有少许不同的逆变器电路。通常，多数CFL使用一个自振荡半桥来替代控制IC（见图5）。

　　图5 典型自振荡CFL镇流器

　　新的控制器像FAN7711和集成了功率MOSFET的高电压栅级驱动器FAN7710有助于简化CFL的设计，特别是设计者希望用新的集成控制器来获得额外的性能和安全特性时。

　　图6 FAN7710的典型应用

　　结语

　　全世界对提高照明产品功效的持续关注推动了在照明应用中使用更多的高效解决方案。具体表现就是在照明设计中逐步增加对电子器件的使用，而半导体供应商在这一过程中将扮演非常重要的角色。