1 前言
电子镇流器广泛应用于照明领域，尤其是用于高频荧光灯，具有效率高、结构紧凑、使用寿命长和可调光等优点。当应用于特别是热阴极荧光灯时，执行的控制策略应该是：提供灯的软起动和灯功率的控制。目前，已广泛使用的三个控制参数为：1/开关频率；2/直流总线的电压；3/脉冲宽度调制（PWM）。
大多数电子镇流器制造厂家均倾向于选用开关频率控制。藉改变晶体管开关频率执行软开关程序和控制灯的功率，很多有关这方面的集成电路可在市场上解决。通常，变换器的工作频率高于谐振电路的固有频率，以便预热灯丝电极。然后，开关频率减小迄至达到点火电压。对于灯的调光，开关频率由谐振值增加到最高频率，在此频率下灯的功率最小。虽然这一控制方法简单，但它存在一些不容忽视的缺点：例如，电磁干扰（EMI）大，在小功率时效率低，调光的线性度差，以及低度调光时电极功率高。
为避免频率控制中的缺点，可采用基于改变晶体管桥路输入的直流电压这一控制方法。在此方法中，为提供一可变的直流电压送至逆变器，使用了附加的功率级，以便控制恒频下的灯功率。由于需要附加功率级及控制电路，故此法在成本上付出的代价是其主要缺点。这也限制了它在直流输入总线中的应用，例如机动车（汽车、公交车、火车）上的应用。另一重要缺点是，仅采用改变直流输入电压，难于达到良好的软起动。如果镇流器是在接近谐振的情况下工作（为提高效率），则空载时的输出电压会迅速增加，在电极达到最佳温度之前，会出现高的起动电压。这将使点火期间需要改变频率。
第三种控制电子镇流器的方法是调制逆变器输出方波的脉冲宽度。这是通过改变整流桥晶体管的占空因数来实现的。在此法中，改变谐振电路输入的方波均方根(rms)值，提供一可变化的rms值电流流经灯管。这一控制方法的主要缺点是存在非对称的灯电流波形。按照所谓的非线性电泳机理，这将导致灯的过早老化。利用反复电路的占空因数运行，可避免非线性的电泳现象。但在灯照明时为使产生的闪烁小，此法比较复杂也较昂贵。另一缺点是调制的方形波谐波含量高，会产生大的电磁干扰。
本文旨在对基于利用可变电感器的电子镇流器研究一新的控制方法，在恒定的开关频率下和不利用变换器其它控制参数（如输入电压或占空因数）的情况下，进行电子镇流器的控制。除在电子镇流器整个运行期间保持恒频这一重要优点以外，本文推荐的方法与现有控制方法比较时，还显示出其它的附加优点。例如，固有的绝缘控制，更线性化的控制特性，恒定的电极功率和较高的效率。
第2节介绍所推荐的控制方法；第3节提出了在分析和试验结果中应用的荧光灯特性和模型；第4节是对调光过程的分析及获得的一些重要特性；第5节是在推荐的控制方法下，分析了灯的软起动工序；第6节提供了由实验室原型得到的一些试验结果，以及与其它现有控制方法的比较。最后，第7节给出了本文的结论。
2 推荐的控制方法
变压器和电感器均为磁性调节器，其性能可以用电流源控制。人们对这些器件在电力电子技术应用中很感兴趣。磁性调节器的可能应用场合之一是控制电子镇流器，以实现灯的软起动和调光。图1所示为利用磁性调节器的电子镇流器两种可能实现的方案。第1方案示于图1(a)，图中利用了可变的变压器，可变变压器由直流电流控制。在此方式下，变压器的变化（率）可按照电流的程序进行改变（修正）。这一装置允许其控制变压器的副边电压。同样地，也可利用对半桥逆变器直流输入程度的控制。优点是不需要带可变直流输出电压的第一输入级。
包含可变变压器的缺点是成本增加。通常为适应电压等级或为达到电流绝缘要求的场合，才可能使用带可变变压器的方案。因此本文将研究低成本的解决办法，也即，如图1(b)所示采用可变电感器的方案。在此情况下，藉直流电流控制的可变电感，用于修正谐振电路的特性，因而能实现电子镇流器的完全控制。
利用双E型铁心可实现变电感。本文所采用的可变电感装置示于图2。电感器主绕组置于铁心的中间柱上，柱中部留有气隙，两个附加绕组装在两侧的边柱上。通过附加绕组的直流循环电流可改变主绕组的电感。当直流电流增加时，磁通会导致铁心饱和，电感下降。藉助简单的电路可得到直流的控制电流。例如，可利用带串联电阻的电压源。这样，就能以很低成本的电路来控制电感。此外，若干个电子镇流器可由同一控制电路进行操控，这相当于又进一步降低了成本。
3 灯的特性和建模
为研究所推荐控制方法的可行性，在分析和试验时选用了菲力浦36W的直管型荧光灯，所得结果，与任何其它制造厂同类产品的相同。进行灯的试验时，要建立灯的电气模型，以便在推荐的控制方法下分析电子镇流器。图3为典型的荧光灯模型，它由两个基本模型组成：一个是电极电阻RE，模拟灯电极的性能；另一个是电弧电阻Rarc，模拟灯电弧的性能。电极电阻比电弧电阻小得多，很多情况下，在一次分析时可略而不计。
利用控制频率的电子镇流器，在实验室中进行了荧光灯的试验，测量了灯电弧的电气特性，示于图4。为处理所测量的数据和进行第4节、第5节的分析，利用了Mathcad 程序。为模拟不同的灯特性，采用了线性内插法，因而可由测量数据获得线性函数。现有的数据点能用一直线连接。这不是很严密的模型，但它在全部数据范围内能达到很好的近似。图4是以X个测量数据点及插值函数绘制的。电阻的数据点则是以电压和电流数据的相除得到。由此，灯电阻的函数再次由线性内插法获得，结果示于图5。
表 1  实验室原型的数据
输入数据
VDC=150V f=50kHz
设计结果
L=0.5mH C=18μF

4 对灯调光的分析
不少应用场合对电子镇流器的调光特性很感兴趣。为对推荐的控制方法进行分析、研究，电子镇流器的基本设计已按照既定的程序执行。这一设计特性列于表1。150V的直流输入电压用于供电给半桥的逆变器，所选的开关频率为50kHz，这是按照 标准推荐的最高值。根据上一节在额定功率下灯的测量数据，可得到表1谐振电路中无功元件的数值。
图6为磁性控制电子镇流器的等值电路。如前节所述，电极的影响可忽略，因此，利用基本近拟值，灯功率能容易地表示如下：
         (1)
式中RLA为灯的等值电阻；VE是半桥逆变器中所产生方波的基波分量；而f为开关频率。在推荐的控制方法中，开关频率f保持恒定。式(1)中的电感L被利用作为控制参数。注意到式(1)中，开关频率f显示为4阶指数，而电感L仅是2次幂。这意味着基于电感的控制将比基于开关频率的制要更为平缓。
为获得荧光灯真实性能下的调光曲线，应利用式(1)中灯电阻与灯功率的特性曲线。要得到调光曲线，必须解下列方程：
    (2)
式中，RLA(PLA)代表示于图5的灯电阻特性。利用数字方法解方程(2)，合成的调光曲线示于图7。由图可见，这些调光曲线与带恒定电阻得到的曲线颇为不同。在较高的开关频率下能看到灯功率的突然变化，这是由于灯电阻的双曲线特性所致。谐振电路中很小变化的电感，将引起大的灯功率变化。故不推荐在这一区域运行，而且它甚至可能产生不稳定的电弧。因此，必须慎重设计电子镇流器，使其在运行区内的调光曲线为连续的曲线。
电子镇流器功率控制时的另一重要任务是研究谐振电路输入电流的相位角。众所周知，延迟的电流用于实现电桥晶体管中的零电压开头（ZVS）。对于图6的电路，输入电流的相位角可表示如下：
      (3)
图8绘出了谐振电流的相位角，作为电感函数的关系曲线，电感为控制参数。这一特性曲线，是按照式(3)，结合图5和图7并利用灯电阻作为电感的函数而获得的。可以看到，在整个调光范围内，相位角为负值，因而可确保ZVS运行。这一结论支持了所推荐控制方法的可行性。
5 对灯软起动的分析
在本节将证实：推荐的控制方法还可用于执行灯的软起动过程。图9所示为起动状态下的等值电路。注意到在这一分析中仍将忽略电极的影响。起动期间的主要参数是流经电极的电流，该电流通常要加热电极，直至温度发散。而灯的电压应保持相当低，以避免溅射损伤电极。按照等值电路这些参数可由以下公式求得：

 (4)

 (5)

从式(4)和式(5)，可以看到电感能利用作为执行软起动的控制参数，与通常利用开关频率的方式相同。作为例子，图10所示为灯的点火电压作为电感的函数，这是按照式(5)绘制出来的。在电感值LR时出现谐振，也即，令式(4)和式(5)的分母为零：
                                (6)
因此，像利用开关频率作为控制参数一样，软起动也能完成。软起动的过程示于图10，图10为按灯电压作为可变电感的函数的特性曲线。
6 试验结果
利用菲力浦公司3C85材料的铁心，已制成可变电感器。图11为可变电感器的示意图和实物照片。藉阻抗分析仪在小信号情况下，并改变控制绕组中的直流电流以进行电感的测量。电感作为直流电流的函数，其测量的特性示于图12。为便于比较，图13~图15给出了三种不同控制方法的试验结果，测量了电弧的功率和灯的功率，由灯功率与电弧功率之间的差可确定电极功率。并测量了谐振电流的相位角以及功率和效率。注意到正的相位角表示属于电感性的谐振电流。
图13为利用开关频率控制镇流器时的试验结果。如图13(a)所见，开关频率增加时，灯的功率减小，电弧功率也减小，但电极功率却增加。当电极的功率超过10W，电极灼热成白炽状态。如果这一状态保持时间长，则会出现过早的老化。此外，调光曲线（灯功率与频率的关系曲线）的非线性十分明显，这使得在低照度下难于调节灯的功率。图13(b)考虑了效率和相位随频率变化的关系。当开关频率增加时，电流相位也增加，而在较高频率下，效率迅速下降，这是由于逆变器操作的无功能量过高所致。
通过输入电压的控制可改善调光性能，从图14所示的结果可以说明。但因额外使用了输入变换器导致了成本上的增加。如图14(a)所示，调光曲线的线性度好得多，但在低调光度时，电极的功率也增加的多，致使电极灼热。在另一方面，图14(b)显示在整个调光范围，效率高且很平稳。这是因为开关频率恒定并接近揩振频率。所以，保持了小的相位角，且逆变器操作的无功能量小。
图15所示为开关频率在45kHz下，由推荐的控制方法获得的测试结果。在此图中，Pele是灯2个电极的功率；PArc为电弧功率；而PLA是灯的总功率，它是电极功率和电弧功率之和。从图15(a)可见，调光曲线也是线性很好和平稳的。由于这一控制方法的优点，全部调光范围内电极的功率基本保持恒定，因而，在低调光度情况下，可延长灯的使用寿命。图15(b)为变换器效率。图中可见，效率在整个调光范围内也很恒定。控制电路中的损耗未包含在测量的效率之内。注意到同一直流控制电路，能用于控制室内的若干电子镇流器，故控制电路的损耗将由所有镇流器分摊。
最后，图16给出了全部软起动过程中灯电压和灯电流的波形。首先是发热状态，在此期间为确保适当的加热电流，电感保持恒定；然后，电感向谐振值减小，于是，灯电压增加，直至达到点火电压；最终，电感固定在稳态值，以达到稳态下合适的灯电流。在点火期间，由于平缓的电压波形，无高电压的尖峰值，以及最大值低于800V的峰一峰值，而实现了良好的软起动性能。
7 结论
本文推荐并研究了电子镇流器新的控制方法。本控制法是基于利用可变电感作为磁性调节器。对利用可变电感的灯功率控制和灯的软起动程序进行了分析，测试。试验结果证实了所作的分析，并对比现有控制方法，充分显示推荐控制方法的以下优点：(1)调光曲线的线性度比开关频