-
-
手机阅读
摘 要 根据国内电子镇流器产品使用和故障概况的调查资料，列出了国内电子镇流器产品几种常见故障，并对其故障机理进行了分析，提出了相应的改进措施，可为研发和生产高可靠性产品提供有益参考。
关键词 电子镇流器，故障机理，品质因素，半桥逆变电路
1．引言
电子镇流器是一种新型的集强电（220V）、弱电（微电子技术）及电真空、光学技术为一体的高科技电光源节能电子产品，与传统的电感镇流器相比，具有节能、启动电压低、功率因素高、温升低、无频闪、无噪音、延长灯管使用寿命等优点，已广泛应用于荧光灯、金属卤化物灯、钠灯、霓虹灯等产品中，其市场份额逐年增加，有取代传统电感镇流器的趋势。但国内生产的电子镇流器产品80%以上采用由分立元件组成的半桥逆变电路、70％以上性能较差；国内生产电子镇流器的企业多达400-500家，其中有相当数量的生产单位规模小、产量低，缺乏必要的检测手段和质量控制设备，元器件选择不当，又未经过严格的筛选，所用元器件一致性差，性能不稳定，直接影响电子镇流器的总体质量。如工作寿命、功率因素和谐波含量等，与国际知名品牌相比，仍有较大的差距。研究电子镇流器产品的常见故障及其故障机理，提出相应的改进措施，提高电子镇流器产品质量，是一个重要的研究课题。
2 故障机理的分析
电子镇流器的基本功能，是将50 Hz的工频电源转换成20～50 kHz的高频电源，而直接点亮日光灯管。目前，应用最广的电子镇流器系串联谐振式电路，其线路由整流滤波电路、功率开关与驱动电路、镇流与灯丝负载回路三部分组成.
造成国产电子镇流器的寿命较短、一致性和可靠性差的原因除因电路设计不佳、镇流器与灯管匹配不良以及电源电压波动大等因素外，元器件可靠性和参数一致性差，也是一个重要原因。尽管对电子镇流器失效原因进行调查的结果并不一致，但还是具有一些共同的规律，即常见故障。鉴于此，本文根据调查和分析结果，对此类电子镇流器各部分的常见故障产生的机理分别阐述如下：
2.1 镇流与灯丝负载回路
在荧光灯点亮之前，电子镇流器的输出端与灯管可等效为一个LRC串联电路。
荧光灯的启辉点亮依赖于电路的电压谐振，该电路的品质因数 （Q>1），发生谐振时有 = - = ，加在灯管两端的电压即为 ，用于启动点亮荧光灯，通常，这个值为500V～1200V(为输入电压 的 倍)，这种大大高于外施电压的过电压现象是损坏起振电容C的主要原因。谐振发生时，由于电压的剧增和荧光灯管的点亮会产生一个很大的浪涌电流，这对电感的绝缘材料的影响是不容忽视的。
在负载异常状态下，上述情况显得更为严重。当灯的一个阴极损坏而不能启动时，一旦上电就会处于所示电路的串联谐振状态，此时电路中有电流
由于C、L中存在内阻，因此在电流 持续地在电容和电感中通过时，会使元件严重发热老化，导致电容泄漏，电感绝缘层破坏。灯工作，但阴极中的一个去激活或出现整流效应时，在如图2（b）所示的等效电路下工作，仅管电容C不致损坏，由于电路工作在直流状态，灯管两端很容易发黑，电感L会在较短的时间内发热烧毁。
在电子镇流器的设计当中，为了使镇流器与负载间较好地匹配（即确定一个合适的Q值），必须设定在某一特定的负载功率下工作，再确定各元件的额定参数（考虑1.5～２倍安全裕度）。由品质因数 可知，当负载确定时，其等值电阻R，以及点火电压U均是确定的，设计好镇流器的工作频率后，L和C的额定参数值就都是确定的。如果在使用电子镇流器时选用了其它功率的荧光灯，将对镇流器的性能产生很大的影响，例如荧光灯的等值电阻比设计要求的电阻小很多，就会使品质因数大幅上升，从而使荧光灯启动瞬间，电容C两端电压大大超过其额定值；在这样恶劣的条件下，电容C的性能会受到严重的影响，导致击穿失效。
目前市场上销售的产品，绝大多数都标称其适用的灯管功率有３～５档，这对电子镇流器的性能极为不利。实验统计表明，不足２０％的产品能够找到与其完全匹配的荧光灯。因此，在产品设计过程中必须注意镇流器与灯丝回路中各参数的良好匹配。另一方面，采取降压启动和预热启动措施也可在一定程度上减少过电压所带来的损失。
2.2 功率开关管与驱动电路
功率开关管是逆变电路的核心部分，作为电流流通的开关，其参数特性对电流换向过程影响很大。如在图（3）所示电路中输入一个理想的矩形波 ，其幅度足以使管子进入饱和与截止两个区域，开启时间和关断时间是衡量三极管开关速度的重要参数，不难看出开关参数以存储时间 为最长，它是决定开关速度的重要因素。存储时间 是开关管的固有特性，到目前为止还没有办法让它变为零，但可以让它尽量小一些，在基极和发射极之间接上二极管(如图１)，并选用参数尽量一致的开关管，可以大大削弱电荷存储效应，从而缩短 ，达到提高开关速度、降低负荷发热不均匀程度等目的。三极管本身的损耗会使其温度上升，导致参数恶化（ + 均变大），开关性能变差，二次击穿特性下降，反过来进一步促使管子发热量增大，这样的恶性循环最终会导致三极管的击穿烧毁。实验表明开关管截止状态的功耗很小，导通状态的耗散占一定比例，但变化较小，开关管的耗散主要发生在由饱和向截止和由截止向饱和的过渡期，通常称这个损耗为过度损耗，可以由公式计算： 这个损耗大部分用于管子温度的升高。
半桥逆变电路中，如果两个管子存储时间不一致，或集电极电压波形上下不对称，均可能造成两管子负荷发热不均匀，严重时，会使管子提前失效。造成集电极电压波形上下不对称的情况有两种：（1）半桥变换电路上的无源臂电容有调节脉冲占空比功能，但有些厂家为了简化电路设计，只使用一只电容，使电路闭环，这样会产生很大的饱和电流，一旦电路发生故障就会损坏开关管。使用两个参数对称的电容组成两个无源臂，可有效地将占空比稳定在50%左右。（2）通过驱动电路中电感L的电流发生占空比不为50%的情况时，就会使磁心产生偏磁饱和， 就会减小，引起集电极电压波形不对称，甚至使管子基极驱动不足或两管共态导通， 和 明显增大，开关管在这种情况下工作更容易发热烧毁。
在两管基射极间并接电容，防止两管基射极间电位突变，能在一定程度上保护管子。为了降低损耗和发热及提高产品可靠性，必须选择性能良好的开关管，同时，作为开关管的驱动部分，磁环上三个绕组的参数也必须引起足够的重视，由于开关管与其驱动电路部分是紧密联系相互依存的，它们的参数之间关系在生产过程中很难准确整定，采用集成驱动电路简便可行，这种模块化的电路既利于参数整定，也利于提高各部分电路的独立性，从而提高产品的可靠性。
2.3 整流滤波电路
电子镇流器中整流二极管的损坏几率较小，其损坏的原因之一是半桥臂上电容在使用过程中不断受到热损，其充放电性能参数不断变差，当充放电不一致时会使整流二极管工作在过电压状态，从而导致二极管击穿短路烧毁；原因之二是电网电压波动，当输入交流电压为220V（有效值）时，整流二极管所承受的最大反向电压为311V，当电压波动在160V～280V范围内时，整流二极管所承受的最大反向电压高达360V。这么高的反向电压作用在二极管上，如果在设计当中所取的余量不足，很可能导致管子反向击穿。为了减少这种损失，必须在电子镇流器的输入端设置适当的过电压保护电路，如串接熔断丝和功率因素校正电路等。
电子镇流器中电解电容的损坏几率大得多，它用于对整流后的脉动电流进行滤波，从而产生一个平稳的直流输出给逆变部分，同时还能起到供电隔离保护作用，防止负载端产生的谐波影响电源。流过电容器的电流有两种：振荡电路的高频反馈电流和整流输出的低频脉动直流。这两种电流叠加，在选材不当或设计余量不足时容易导致纹波电流超载，由于电容的电阻值R较大，纹波电流流过时产生的发热功率为 = ，正常的散热功率为 ， > 时，温度上升。一旦超出电容器所能承受的最高温度，电容器内部电解液急剧汽化，压力不断上升，从而使电容器胀裂失效。另一方面电容器在大纹波电流的作用下发热温升，直接导致电容器的电阻增大与容量下降，进一步引发升温更快，在这种恶性循环下，电解电容将以失效而告终。
电解电容的损坏主要取决于其本身参数与材料，在电子镇流器的设计当中应尽量选取内阻小、散热系数高的电解电容，这样可以减小漏电流和放宽纹波电流容限，另一方面可以对电路进行改进，如使用成对电解电容与电阻的串联组合、在整流滤波的直流输出侧串接适当电感等，在不影响电子镇流器正常工作的前提下减小纹波系数，从而在一定程度上减小电容的发热，达到保护电容器延长其使用寿命的目的。
3 总结
综上所述，电子镇流器的可靠性取决于各元件的质量以及电路的结构。设计和制造高可靠性的电子镇流器产品应从以下三个方面着手：
（1） 充分把握各元件的性能及其参数的一致性
（2） 元件与负载的优良匹配；
（3） 采用模块化设计，提高各部分电路的独立性，尤其是逆变控制电路与开关管的独立性；
（4） 对电路设置合理的异常保护措施。