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电子镇流器的安全与电磁兼容探析

   2009-04-09 1930

  综上所述,抑制谐波的改进措施就是尽可能提高其功率因数,减小输入电流的谐波失真。要达到这个目的,就必须提高整流管的导通率(即延长输入电流的导通时间),使得电源电流的波形接近电压的正弦波,减小电流的波形失真;同时又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)。这就是我们通常所说的功率因数校正电路工作原理。功率校正电路分无源校正(PPFC)和有源校正(APFC)。目前,我国生产的电子镇流产品限于成本价格因素,大都采用改进型逐流电路组成的无源谐波抑制电路。这种技术发展得比较成熟,只要调试得当,镇流器的谐波含量基本可以得到有效的抑制。但这种电路存在调试难度高,在大量生产时难以控制产品质量的问题,而且基本上无法同时满足电磁兼容标准和性能标准要求,只在一些低功率镇流器或节能灯中使用。而有源校正则是采用三极管等分立有源器件组成的谐波抑制电路,或采用专用集成电路的谐波抑制电路,后者调试要比前者简单,可靠性更高,但成本也更高。图2所示的就是一种比较典型的分立有源器件组成的有源功率校正电路,其电路特性就是由Q3负责控制C7的充电和放电。功率因数校正专用集成电路(APFC控制器)大都是利用这一原理研制的。

  4.4 传导干扰、辐射干扰及相应措施

  在图2中,Q1和Q2在导通瞬间都会在高频变压器的线圈产生很大的浪涌电流IIAnews.com版权所有,从而形成较高的浪涌峰值电压;在Q1和Q2断开的瞬间,由于高频变压器中的磁芯在脉冲电流的作用下,其磁通量发生变化形成蓄积部分能量,这部分能量没能及时传递出去,与Q1和Q2本身的极间电容、电阻形成很高的瞬态电压或电流,并会产生寄生振荡。当Q1和Q2重复频率越高、开关速度越快,所引起的干扰脉冲电压就越大,这个电压叠加在Q1和Q2在导通、断开瞬间所产生的电压上,形成更高的脉冲电压,再反馈到输入回路,从而形成传导干扰(电磁干扰)。高频变压器与Q1、Q2和C7构成的高频开关电流环路也可能产生较大的空间辐射,而且荧光灯管的辉光放电和弧光放电也会引起电磁干扰,这些干扰就形成了辐射干扰。所以,高频变压器和开关三极管既是电子镇流器的核心部件,同时也是产生电磁干扰的主要部件(干扰源),是直接导致电子镇流器不能通过EMI考核的主因。高频变压器和开关三极管所产生的高频脉冲电压干扰既有共模干扰(与信号本身电位相同,方向相同的外加干扰),也有差模干扰(与信号幅度相同,相位相反的干扰)。

  在经过对电子镇流器进行传导测试的大量数据分析后我们知道,电子镇流器产品所产生的电磁干扰中,在9~150kHz频率范围主要以差模干扰为主;150kHz~30MHz频率范围主要以是共模干扰为主。找到干扰源搜企网,又知道其产生干扰原因,只需采取相应措施加以抑制其干扰,使通过该条款的考核并非难事。

  要抑制传导干扰,一般都是PCB板布线尽量短,电源线(即输入端)应远离带有高频电流的导线(即输出端)。由于电子镇流器本身构成的元器件并不多,布线难度不高。对产品加强对外界的屏蔽,以削弱外界噪声引起的干扰。采用合理的接地方式,不但可以保证镇流器的安全,可以防止因镇流器发生漏电而引起使用者触电的危险,还可以减小镇流器的传导干扰噪声。

 要使电子镇流器产品顺利通过EMI条款的考核,重点应放在滤波器方面。根据干扰源的类型,只需在电源输入端与整流回路加装EMI滤波电路,基本都可以通过该条款考核。EMI滤波电路主要是由串联电感和并联电容组成双向网络的低通滤波器,利用阻抗失配原理抑制电路产生的脉冲干扰,其滤波范围通常在9kHz~30MHz之间。我们从滤波器频率特性曲线知道,它的特性,也就是技术指标之一是插入损耗值。要使滤波器对干扰信号有最佳的衰减性能,则滤波器阻抗应与电源阻抗失配,失配越厉害实现的衰减越理想,得到的插入损耗越大;插入损耗越大,其滤波效果越好,对传导干扰的抑制作用就越大。

  EMI滤波器的插入损耗主要取决于铜线的质量、绕法以及所用的磁芯质量。磁芯是由磁性材料制成,所以磁性材料是滤波器不可缺少的部件。磁性材料种类繁多,不同的磁性材料具有不同的电特性、电阻率、频宽、阻抗等,对传导干扰的抑制效果也不相同。要抑制不同频率段的干扰就要选择适合该频率段的磁性材料,因为从材料的观点看,滤波器的作用就是阻隔不需要的信号,并以发热的形式消耗掉有害的干扰信号,让有用的信号无衰减或几乎无衰减地通过。笔者在实际整改工作中发现,即使滤波器用同样的铜线、同样的绕法,所绕的圈数一样,采用不同的磁芯对抑制传导干扰信号的差别是很大的,尤其是高频变压器。在抑制低频干扰信号时,采用金属磁性材料要比采用铁氧体磁性材料好得多。

   在图2中是由共模滤波器(T1)和差模滤波器(T2/T3)以及电容(C1~C4)组成的EMI滤波电路,C5为跨地电容。只要选择合适参数的元件及适当的磁性材料,一般都可以通过标准中对EMI条款要求的考核。

  除了在镇流器的输入端(电源端)加串EMI滤波器外,还可以在镇流器产生干扰的部件上下功夫。从前面的分析知道,开关管Q1和Q2在其导通和断开瞬间会产生幅度较高的脉冲电压或电流,只要把这个脉冲电压或电流消除或减弱即可降低镇流器的干扰电压。可分别在Q1和Q2基极和发射极之间并一个瓷片电容C15/C16(0.01μF)降低晶体管的深饱和,有助于降低脉冲电压的幅度,而且还可防止Q1和Q2的共态导通,不致于损坏开关管;或在Q1和Q2集电极和发射极之间加入阻尼网络(D14、R18、C20和D15、R19、C21组成),以吸收其通断间产生的浪涌电流,对开关管起保护作用,并能有效降低干扰强度(见图2)。不过在这个电路中,C20和C21不宜取值太大,否则会增加镇流器的功耗。

  这些措施对抑制共模干扰的作用相当明显,尤其对那些紧凑的电子节能支架进行整改,因其空间有限不能采用电感量较大的滤波器时,不失为一种较好的选择。图3和图4就是笔者对这种支架整改前后的测试曲线图,其EMI滤波器相同。

   由于GB 17743-1999规定照明电器类产品的测试频率范围在9kHz~30MHz之内,而一般容易产生天线效应的频率范围是在30MHz以上,所以,只要电子镇流器产品传导干扰幅度不超过标准的限值要求,通常也能符合标准对辐射电磁干扰限值的要求。

  5 结束语

  在科技日新月异的今天,新光源不断推出,如LED照明、光纤照明等,用户在选择照明电器有了更大的空间。但LED或光纤等光源限于目前的技术及生产工艺水平,其价格高昂,功率及光通量还远远不能满足人们的需要。在现阶段还是以白炽灯、荧光灯和放电灯为主体照明器具。尤其是在我国广大农村地区,大都采用白炽灯作为照明光源,而白炽灯耗电、光通量低,大量使用白炽灯会造成很大的电能浪费。荧光灯在目前来说是代替白炽灯比较理想的照明光源。如果大量用荧光灯代替白炽灯作照明光源,节省下来的电能则相当可观,对保护我国的自然环境、增强我国的可持续发展大有好处。与荧光灯配套的电子镇流器拥有很大的市场,研制新型、高效、可靠的电子镇流器产品是广大科研人员义不容辞的责任。

  参考文献:
  1 《灯的控制装置 第4部分:荧光灯用交流电子镇流器的特殊要求》 GB 19510.4-2005
  2 《电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限值和测量方法》 GB 17743-1999
  3 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.中国国家标准化管理委员会发布.《电磁兼容限值谐波电流发射限值(设备每相输入电流≤16A)》 GB 17625.1-2003
  4 全国照明电器标准化技术委员会.中国绿色照明工程项目办公室编.中国标准化研究院发布.《灯的控制装置系列国家标准及金属卤化物灯相关效能国家标准宣贯教材》
  5 毛光武.祝大卫编著.《电子镇流器的原理与制造》
  6 俞安琪著.《电子镇流器设计中应关注的要点》


 
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