小功率节能灯专用桥式整流器的脉冲电流分析

小功率节能灯专用桥式整流器的脉冲电流分析 小功率节能灯专用桥式整流器的脉冲电流 分析 2009年12月 第2O卷第4期 照明工程 ZHA0MINGG0NGCHENGXUEBA0 Dec.2oo9 Vo1.20No.4 小功率节能灯专用桥式整流器的脉冲电流分析 保爱林潘蔡军侯万洪 (1.绍兴旭昌科技企业有限公司,浙江绍兴312000;2.宁波乐德士电器有限公司,浙江宁波315000) 摘要:无论在节能灯启动的瞬态还是在正常工作的稳态,流过节能灯专用桥式整流器的电流波形均为近似三角 形的尖脉冲.开启时的电流脉冲幅度相对于桥的额定电流几乎是无限大,会对桥在启动过程中的可靠性构成潜在 威胁.而稳态脉冲电流对桥的可靠性影响主要 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现在有可能使结运行在一个高结温上.然而,通过合理的电路设 计,根据桥的额定值进行正确选型,均可避免两者对可靠性的影响. 关键词:桥式整流器;节能灯;It ThePulseCurrentAnalysisofTheBridgeRectifierfor TheLowPowerCompactFluorescentLampOnly BaoAilinPanCaijunHouWanhong (ShaoxingRising-SunTechnologyCo.,Ltd.,Shaoxing312000) Abstract Whetheritisatthetransientstatewhenthecompactfluorescentlampisstartinguporatthestead yrunning state,thecurrentwaveformthroughthebridgerectifierforthecompactfluorescentlamponlyisthespikepulse whichisnearlyatriangle.Whenitison,thecurrentpulseamplitudeisindefinitelygreatcomparedwiththe ratedcurrentofthebridgerectifier,whichwillbethepotentialthreattothereliabilityofthebridgerectifier. Whenonoperationwhilereliabilityinfluencetothebridgerectifierofthesteadypulsecurrentistomakethe junctiononthehighjunctiontemperature.However,wecanavoidbothinfluenceonreliabilityifwecanmake thefightchoiceaccordingtothenominalratingofthebridgerectifierafterwehavehadthereasonablecircuit. Keywords:bridgerectifier;compactfluorescentlamp;12t 引言 小功率节能灯一般为紧凑型结构,其镇流器安 装于灯管上部的一个十分狭小的碗形空间中.小功 率,小空间,高环境温度,对市电进行直接整流是 对用于其中的桥式整流器的最基本的使用要求. MBO46F系列产品正是考虑了以上要求后专门为小功 率紧凑型节能灯研制的桥式整流器. 与以往大电流整流器的使用稍有不同的是,在 设计电路时输入端的限流电阻不能省略,稳态工作 时整流器输出的稳态电流应不超过考虑温度降额后 的额定电流. 以下将通过对启动与稳态工作过程的脉冲电流 分析说明之. 1启动过程中的脉冲电流 1.1启动过程分析 在图1中,虚线框内表示桥式整流器MB046F, C为滤波电容,Rz为等效于半桥逆变器和驱动电路 的非纯阻性负载.启动过程随机发生于市电一个正 照明工程2009年12月 V1 , 220V 图1节能灯专用整流器的典型应用电路 弦周期的任意时刻.不失一般性,以下讨论在市电 的前四分之一周期(电压上升阶段)启动的情况. 此时的输入电压和等效电路如图2.其中图2(C) 中的rT是Dl,D3的内阻,c的等效串联电阻,回 路的引线内阻三部分之和.其中整流桥中整流芯片 的内阻随电流的增大而降低,典型关系见图3,电 容的等效串联电阻与介质损耗角正切值,容量有关, 而回路的引线内阻更是因电路而异,但三者之和一 般不超过1欧姆.本文假定rl=1欧姆. V 臼V臼(b)(C) 图2桥式整流器的输入电压和等效电路 lO2 1Ol 一 量 1O.l 10一 110.10—1001010 IF(A) 图3根据实测值计算的桥的内阻 由于启动过程主要是对滤波电容的充电过程, 负载电阻Rz远远大于r1.因此将其省略(见图2 (c)).显然其时间常数r=rC.在向c充电的起始 时刻,充电电流的大小取决于该时刻的电压v. 当在t=0时启动时,电容上的电压将随t上升 到V的峰值附近,由于电压从0开始,故整流桥芯 片中的电流基本上没有过渡过程.当在t=T/4=5mS 启动时,充电回路将瞬时承受310V的电压.由于此 时C可视为短路,因此这一电压实际上仅由rl来承 受.此时整流芯片D1,D3中的电流(即回路中的 电流)为: , i:一v1e:310e(1) rI 当t=0时峰值电流为v/q=310A,它持续的时 间由r确定.显然整流桥是否能承受这样的电流脉 冲将取决于其幅度和持续时间. 对于整流桥中的整流芯片或由整流二极管组成 的整流桥中的一个二极管来说,在负载接近短路条 件下衡量其对短路电流承受能力的指标是正向不重 复浪涌电流I,它是指一个宽度为10mS的正弦半 波电流的峰值.超过此值或多次达到此值时可能 造成器件失效.还有一个与此相对应的参数是器件 的熔断特性: t It:lidt(2) J0 其意义为达到此值,器件会像保险丝一样"熔断" 即失效.用上式计算的与I刚对应的I2t额定值为: It=Mt/2(3) MB046F的I嘲=15A,通过(3)式计算得:I2t =1125AmS,此值可以作为在10mS内任何电流波 形的I2t的判别 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 .如果启动时的Dl,D3的电流 脉冲的Izt达到此值将面临较大的失效风险.见表 1: 表1无限流电阻时滤波电容与f,rt的关系 表1中的12t是用(1),(2)式计算的结果,由 于r远远小于10mS,故其积分上限由10mS改为?, 这样可简化计算但并不影响计算结果.由此可知当 滤波电容增大时12t将增加,当电容增加到33/zF时, 第20卷第4期保爱林等:小功率节能灯专用桥式整流器的脉冲电流分析67 12t远远超过了其额定值1125AmS.所以仅为了减小 输出电路的波纹电压而较大幅度的增加滤波电容容 量是有风险的. 1.2限流电阻对启动电流脉冲的限制作用 如果在充电回路中接入一个小限流电阻Rl,例 如Rl=2欧姆(如图4),此时(1)式中r=(r.+R) C,t=0时的峰值电流为:V/(r.+R1)=103A,表2是 在接入限流电阻后对r,12t进行重新计算的结果, 由此可知接入限流电阻后,充电时间延长了,但It 却大幅度下降了. 表2加限流电阻时滤波电容与t,I2t的关系 V1 220V 图4加了限流电阻RI的典型应用电路 Rz 由表1,表2可知,整流桥的熔断特性可以较 准确的反映对节能灯启动时的冲击电流的耐受能力, 但随着滤波电容容量的增加,冲击电流会逼近甚至 超过其熔断特性额定值,而增加限流电阻的阻值, 则会远离其熔断特性额定值.因此在设计电路时应 选择合适的限流电阻而不应当省略它.本文中表1, 表2可作为实际设计时的参考. 2稳态工作时的电流脉冲 2.1整流桥稳态电流波形 在稳态时的负载电路及各种波形见图5,桥输 入端的波形见图6. T:0时为电源电压的峰值时刻,此时电容充电 V i一 vp/:一I/1 图5稳态时桥的输出波形 完毕,负载电压到达峰值(一V).整流桥由向电容 充电并提供负载电流转向只提供负载电流.由于负 载电压达到最大,负载电流i也达到最大.到?f. 时,桥上的电压下降至关断电压(约1.5v),桥关 断.其后,电容进入放电过程并向负载提供电流. 到TI2一At时刻放电结束,整流桥导通重新开始充 电并向负载提供电流,桥导通期间为:?t+?t.考 虑到周期性,在(nT/2?t?nT/2+?t)期间桥的输 入电流为: i口=?i:(4a) 在(nT/2一At?t?nT/2)期间桥的输入电流为: iD=一C叫%sin(coat)4-i(4b) 其中:;=为平均负载电流.上式中右 J,z 边第一项为电容充电电流.由图6可知,上两式中 显然有:当n=0,2,4…时,iD>0;当n=1,3, 5…时,iD<0. nT/2一At时刻,在输出端,放电结束时的负载 电压既是充电开始时的负载电压: Vc0s:e一'm_? : c(5)pAtR 利用该式可确定桥的部分导通时间?t,这也是 电容的充电时间. 在nT/2时刻假定电容充电结束时桥上的电压为 1.6V,在?t1时间内降到1.5V时桥停止导通.此时 有: coswAt1一('Yp一1.6)e-AtllR.=1.5(6) 由此式可确定充电结束后桥的导通时间?t. 68照明工程2009年l2月 桥每次导通时的电流实际为宽度为?t+?t 方波电流与宽度为?t的近似三角波电流之和. Vi r,, :\ :\ :~.T/4T/23T/4 |4 — 一At .一 , j, ?t_r- ,i i, i, IJ J .羔IJlri 1"/4tl /2 3T,T4 i7 , L lC , , , ,, 的负载R决定.而实际通过整流桥的有效值电流i.一 亦如此. 2.3稳态工作过程的实例 下面考虑对于有效值电压为220V,频率为50Hz 的电源,当选择不同的滤波电容,负载电阻时桥中 的有效值电流,负载所获得的功率,功率因数,导 通时间,波纹电压都会发生变化(见表3a,表3b). ,: 图6稳态时桥的输出波形 2.2整流电路的功率因数 由4a,4b可求出输入电流的峰值,均值,有效 值.有效值为: = ?;2Ddf(6a) |22|Atsin2?Ati Dr.~= ?(?+At1)+Cogvp了/xt一 (6b) 由上式可求出视在功率: s=(7) 二 有功功率为: P=1 j ~ 一 T/2 ()io()d(8a) P:(sin?f+sin?At)+ 叫』 筹(1-cos2wA)(8b) 功率因数为: PF=P/S(9) 由以上几式可知,一旦电源电压,频率确定, 整个电路的有功功率,功率因数仅由滤波电容C, 表3aC,Rz对t,?t1,V的影响 当负载电阻,滤波电容之一或二者皆增加时, 桥的导通时间?t,?t,波纹电压vr,功率因数PF 都会减小,而桥的峰值电流i一,有效值电流I.一, 有功功率P随滤波电容的增大而增大,随负载电阻 的减小而减小. 然而,不能利用以上结论通过减小滤波电容的 方法来提高功率因数.因为它会造成波纹电压的增 大.严重时会造成可察觉的频闪.提高功率因数对 提高电源的利用率有重要意义,需要专门电路来实 现. 表3b中的有效值电流I.一对桥的选择至关重 要,其设计值不应超过相应环境温度下的额定电流. 且应留出不低于20%的余量.如果已知灯的功率与 功率因数,可利用(9)式求出. (下转第96页) 96照明工程2009年l2月 参考文献 [1]杨正名.柴国生等.陶瓷金卤灯的发展及关键技术. 中国照明电器,2007年第1期 [2]王海鸥.提高陶瓷金卤灯电弧管性能的新技术.中国照 明电器,2008年第2期 [3]李广安.王海鸥.陶瓷金卤灯电弧管的设计与研究. 中国照明电器,2007年第3期 [4]刘玉柱.庄卫东等.陶瓷金属卤化物灯用含稀土氧化 物封接 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 .稀有金属,第31卷第1期 [5]何荣开.电光源行业中注汞器的选用.中国照明电器, 2008年第5期 [6]方道腴.蔡祖泉.编着.钠灯原理和应用上海交通大 学出版社 (上接第68页) 如果将(4a),(4b)式展开为傅里叶级数则可 以分析其各次谐波的幅度,频率,相位关系.图7 给出了一个实例.图中i为基波电流,i.为1,51 次谐波电流之和.为了表示其相位关系,也标出了 电源电压vi.图中对应的负载电阻为6.3K,滤波电 容为l0微法.所有数据见表3a,表3b中的第六行. 0510152O25 图7稳态时输入电流和基波电流 3结语 对于给定功率(有功功率)的节能灯,启动和 稳态工作两个不同过程的角度选择滤波电容时需要 折中考虑整流桥启动的可靠性及获得波纹电压尽量 小的直流电压输出这两个因素.显然前者可以通过 增加限流电阻而得到保证,而为了减小波纹电压, 应选择较大一些的滤波电容.但因高耐压电容的体 积很大,在紧凑型节能灯中安装不方便.所幸的是 节能灯对波纹电压的要求并不十分严格,这给电容 的选择带来了方便.对整流桥的电流选择必须考虑 与使用环境温度相适应的额定条件.并在此基础上 留有一定的余量. 参考文献 [1]半导体分立器件和集成电路第二部分.GB/T4o23— 1997,整流二极管[S]:16,28 [2]HBD855/D:ThyristorTheoryandDesignConsiderations[M], http//onsemi.com:16.76,77 [3]Ade1.SedraKennethc.Smith着周玲玲等译.微电子电路 ( 上册 三年级上册必备古诗语文八年级上册教案下载人教社三年级上册数学 pdf四年级上册口算下载三年级数学教材上册pdf )第五版[M][加].电子工业出版社,2006.7: 】53,】58 642O246 OO0OOO