自恢復保險絲PPTC在鎮流器中的保護應用

一、電子鎮流器行業現狀與發展趨勢：

1、電子鎮流器優勢：

  由于氣體放電燈（如熒光燈、霓虹燈、鹵素燈、金鹵燈等）是一種負阻性電光源，要使其正常穩定工作，需加一個限流裝置。這個限流裝置叫做鎮流器。目前氣體放電燈使用的鎮流器有兩種：（1）電感式鎮流器；（2）高頻交流電子鎮流器。由于電感式鎮流器工作在市電頻率，體積大、笨重，還需消耗大量銅和硅鋼等金屬材料，散熱困難、效率低、有頻閃。電子鎮流采用高頻開關變換電子線路的方法實現鎮流，具有無頻閃、效率高、體積小、重量輕、可調光，不使用大量銅材和硅鋼材料的特點，由于它的體積小、發光效率高，無頻閃效應，適應供電電壓范圍寬、節能60%的一系列優點，受到了用戶的歡迎。逐步取代電感式鎮流器已成為必然趨勢。

2、電子鎮流器的發展趨勢：

  從時間上劃分，電子鎮流器主要經歷了以下幾個階段：第一階段是80年代中期到90年代初期。這期間，電力電子技術由低頻向高頻發展，APFC（有源功率因數校正）也開始起步，電子鎮流器的優缺點開始顯現出來。這一階段電子鎮流器的主要特征是：（1）鎮流器的輸入端采用不可控整流和大電容（或不用電容）濾波，輸入電流波形嚴重畸變，當大量使用時，會造成中線電流增加，嚴重時會引起鎮流器大量損壞甚至造成火災。（2）采用“逐流”無源濾波技術，使得PF>0.9，THD<30％。但是9次諧 波的波峰因子Cf≈2，超過標準。有人把采用這種“逐流”無源濾波技術的電子鎮流器叫作第二代電子鎮流 器。第二階段是90年代初期到90年代中期。這期間，由于APFC技術已成熟，并推出了相關專用集成芯片。電子鎮流器電路主要采用兩級功率變換，第一級采用APFC，第二級采用功率DC/AC逆變。人們常將采用這種技術的電子鎮流器叫作第三代電子鎮流器，還有人提出的單管電子鎮流器等。由于它采用了PFC技術，所以PF可達0.99，THD及各次諧波指標均能滿足要求。但是這種電子鎮流器采取了兩級高頻功率變換，所以整機效率在80％～90％，甚至更低，同時電路復雜，成本高。一些地方和廠家盲目的大上節能燈項目，由于其在資金、技術、原材料以及工藝在沒有充分落實的情況下，匆匆上馬使得產品質量得不到保障，各企業的產品質量的不平衡，惡性競價搞亂了市場，不按工藝要求生產，組裝廠選用不合要求的燈管和元器件拼湊組成，質次價低，嚴重損壞了節能燈的聲譽，光效低，故障率高，壽命短，一致性差等問題，造成社會上產生節能燈節能不節錢的說法，給節能燈的推廣帶來了很大的負面影響。所以一直難于大范圍推廣。

  直到2006年才逐步開發出了電荷泵無源濾波技術的電子鎮流器電路（如圖1）、高頻泵式電子鎮流器電路（如圖2）、雙泵式電子鎮流器電路（如圖3）。通過對比發現采用APFC的電子鎮流器總體指標最好，但它造價相對高些，電路相對也復雜些，一時難于普及。而高頻泵和雙泵式電子鎮流器電路，總體指標較好，三次諧波含量HD3：雙泵式為0.2～0.3，而高頻泵式小于0.1，有源濾波式小于0.1。由于采用雙泵和高頻泵能量反饋電路只添加幾個無源元件，造價低，具有實用價值，是電子鎮流器的發展方向。

圖1采用無源濾波的電子鎮流器電路

圖2高頻泵式電子鎮流器電路

圖3雙泵式電子鎮流器電路

3、電子鎮流器行業的現狀：

  節能燈又叫緊湊型熒光燈（國外簡稱CFL燈）它是1978年由國外廠家首先發明的，我們所講的節能產品主要都是針對白熾燈來講。普通的白熾燈光效大約在每瓦10流明左右，壽命大約在1000小時左右，它的工作原理是：當燈接入電路中，電流流過燈絲，電流的熱效應，使白熾燈發出連續的可見光和紅外線，此現象在燈絲溫度升到700K即可覺察，由于工作時的燈絲溫度很高，大部分的能量以紅外輻射的形式浪費掉了，由于燈絲溫度很高，蒸發也很快，所以壽命也大縮短了，大約在1000小時左右。

  節能燈的工作原理主要是通過鎮流器給燈管燈絲加熱，大約在1160K溫度時，燈絲就開始發射電子（因為在燈絲上涂了一些電子粉），電子碰撞氬原子產生非彈性碰撞，氬原子碰撞后獲得了能量又撞擊汞原子，汞原子在吸收能量后躍遷產生電離，發出253.7nm 的紫外線，紫外線激發熒光粉發光，由于熒光燈工作時燈絲的溫度在1160K左右，比白熾燈工作的溫度2200K-2700K低很多，所以它的壽命也大提高，達到5000小時以上，由于它不存在白熾燈那樣的電流熱效應，熒光粉的能量轉換效率也很高，達到每瓦60流明以上。一盞節能燈比白熾燈節能80%，平均壽命延長8倍，熱輻射僅20%。非嚴格的情況下，一盞5瓦的節能燈光照可視為等于25瓦的白熾燈，7瓦的節能燈光照約等于40瓦的白熾燈，9瓦的約等于60瓦的白熾燈，實現了綠色照明。

  1997年10月1日，我國“綠色照明工程”正式啟動，各項標準已正式出臺，但是市場上還是存在很大部分的節能燈廠商，根本不顧國家的法律、法規，不顧消費者的利益，還在大量生產不叫節能燈的節能燈，由于它的質次價低，消費者對產品的識別有限，在農村及大部分城市，還有很大一部分的市場，由于市場上占大部分的市場由低檔產品占據著，使得好的節能燈產品比較難進入市場，這給綠色照明推廣帶來了一定的難度，但隨著居民消費意識的提高以及對節能燈產品的認識，質量好的節能燈產品的市場在一天天的擴大，質量差的節能燈市場一天天的萎縮，這同時又給我們帶來了希望與機遇。

  據統計，世界上照明用電占了世界上產生的總電量的1/4，如僅將現用的200億只燈泡中的50億只換成節能的電子鎮流燈泡，就可節省200GW的電能，從而少建幾十個電站。由于高頻交流電子鎮流器節能和巨大的市場潛力，進入20世紀90年代后，各種氣體放電照明燈廣泛采用高頻電子鎮流器，形成一個"綠色照明"的新興產業。美、英、法、日等主要發達國家和部分發展中國家先后制定了"綠色照明"的計劃，并已經取得明顯效果。

  目前，我國已成為照明器具的生產大國，現有照明器具生產企業4500多家，電光源產品有60多個門類3500多個品種規格，燈具產品30多個門類500多個品種規格。我國照明節能大有潛力可挖。目前，熒光燈、稀土三色緊湊型熒光燈已生產出適合家用的多種產品。這種燈與照度相同的管型熒光燈相比約節電27%，與白熾燈相比，可節電70%。按每戶僅用一只節能燈計算，全國4億只節能燈就可節電2000萬千瓦電力，所以在我國照明節能是一項很重要的課題。

  而現在，由于價格的影響，電子鎮流器日光燈并沒有普及使用，這就是我國的現狀。但隨著成本的降低、市場價格的降低、質量的提高、及國家的30%補貼政策扶持，將會大力推廣。

二、電子鎮流器電路保護目前存在的問題：

1、電子鎮流器工作原理簡介：

  電路如圖4所示：該電路是目前大部分廠家廣泛使用的電子鎮流器典型電路結構， R1、C1、D4、R4組成啟動電路；Q1、Q2、T1、Lp、EL、Cp、EL共同組成半橋高頻逆變振蕩電路。開啟電源后，電路很快啟動產生高頻振蕩，使C2兩端的電壓逐漸升高，當達到燈管的點火電壓時，燈管啟動點亮。燈管點亮后，整個電路就一直處于穩定的工作狀態。

圖4、電子鎮流器工作原理圖

2、電子鎮流器電路存在的問題：

  上述電子鎮流器具有體積小、重量輕、電路簡單、原件少、轉換效率高和成本低等特點，因此，電子鎮流器在傳統照明領域如商場局部照明、家居裝飾照明中應用廣泛。但，因為其電路不完善，在使用安全上會存在諸多的問題，也是諸多廠家被淘汰的原因。具體問題歸納如下：

（1）無燈絲預熱功能，打開電源燈就點亮，易產生燈絲電極濺射作用，而降低燈絲的使用壽命，使用時間一長易造成燈管一端發黑的現象；

（2）由于電路沒有設保護電路，所以一旦市電電源供電發生故障（如電網電壓升高過多），不僅會造成電路損壞，嚴重時還會發生火災事故；

（3）當有燈管發生破裂、燈管一端發黑、老化或壽終等故障時，逆變器輸出的電流不斷增大，通常這個電流會升高到正常電流的5倍以上。如果這時不采取有效的保護措施，會造成極大危害。首先，過大的電流會導致逆變器中作為開關的三極管或場效應管及其它外圍部件因過載而燒毀，甚至引起冒煙、爆裂等事故。同時，燈腳對地線或中線會形成長時間的極高電壓，對于20W、36W、40W及其它大部分國標/非標燈的電子鎮流器，這一電壓往往會達到一千伏或更高，這不僅為國標GB15143所嚴格禁止，而且也會危及人身、財產安全。GB15143-94“11.14”及GB15144-94“5.13”部分對電子整流器的異常狀態試驗包括：燈開路、陰極損壞、去激活、整流效應等，同時規定電子鎮流器在經過上述試驗后不得發生安全性故障并能夠正常工作。

（4）對使用IC做驅動的，IC內部完成保護功能的采樣點，設定在3倍工作電流的位置上，當電流長時間處在2－3倍之間時，IC不但不保護，而且會產生高溫損壞IC和開關管。

三、PTC在電子鎮流器電路中可解決的問題與方法：

  對電子鎮流器異常狀態的保護，常采用以下四種措施，而應用高分子PTC做電子鎮流器的保護方案，才是最好、最明智的選擇，具體分析如下： 

1、在交流輸入電路中串接玻璃管保險絲。在這個位置上串接保險絲會使一些人誤認為會起到過流或過載保護的作用；而實際上這樣的保護方式一般不會在燈絲去激活等過載條件下提供保護，它往往在開關器件擊穿后才會熔斷，不能起到真正意義上的異常狀態保護作用。

2、在整流輸出回路上采用以可控硅、雙極型晶體管或場效應管為核心的保護電路。這種電子電路保護方式的最大優點是保護時間短，但同時存在著以下一些缺點：

①容易發生誤保護：如果由于某種原因，在可控硅的觸發端形成即使極短的尖脈沖也會導致逆變器停止工作，從而導致燈熄滅。

②設計與調試工作比較煩瑣：一般情況下，這種保護線路會有包括電阻、電容、脈沖變壓器次級線圈在內的至少6只電子元件，同時使用這么多元件加之可控硅等有源器件的離散性及溫漂等問題將增加調試工作的困難，進而對生產效率造成影響。

③這種保護方式同時還存在成本較高、占用PCB空間較大等缺點，這也是令眾多電子鎮流器制造商頭疼的問題。

④可控硅電子電路保護方式下，當雙/多燈中的一只燈去激活時，將導致整個鎮流器停止工作，從而使即便正常的熒光燈同時熄滅，這往往是令人不安的。

3、使用陶瓷PTC并聯在諧振回路即諧振電容上，這是較早使用的方法，能達到軟啟動的目的，宣傳可延長日光燈的使用壽命。但實際達不到保護目的，還存在很多問題（如圖5、6）所示：

圖5   PTCR “陶瓷PTC”溫阻曲線圖

圖6  CPTC “陶瓷PTC”預熱啟動電路框圖 

  為解決熒光燈陰極預熱問題，利用了正溫度系數熱敏電阻（以下簡稱CPTC “陶瓷PTC”）。其溫阻特性曲線如圖5所示。曲線中的TB點是CPTC “陶瓷PTC”的開關溫度（阻值增大到最小值兩倍時的溫度）。CPTC “陶瓷PTC”的體溫高于TB點后，隨著溫度的升高，CPTC  “陶瓷PTC”的電阻就會驟變到很高的值，利用CPTC“陶瓷PTC”的這一特性設計的預熱啟動電路如圖7所示。

圖7 利用CPTC“陶瓷PTC”預熱啟動電路框圖

  當電路接通的瞬間，高頻電源的輸出電壓V0加到燈管兩端，由于熱敏電阻CPTC“陶瓷PTC”對諧振回路構成分流，使回路的Q值很低，燈管兩端不能形成高壓，也就不能點亮燈管。同時，高頻電流通過電感Lp、燈絲、熱敏電阻PTCR “陶瓷PTC”，對陰極進行預熱，經過0.4秒的時間后（GB規定大于0.4秒），CPTC“陶瓷PTC”因通過電流，體溫升高，電阻值迅速增大，減弱了對諧振回路的分流。當阻值增大到一定值時，諧振回路起振，諧振電壓幅值V2增大到把燈管點亮。燈管點亮時，燈管呈現負阻特性，即燈管電流增大，燈管兩端電壓V3降到額定的工作電壓值，預熱啟動過程結束，燈管轉入正常工作。

　問題在于燈管正常工作后，熱敏電阻CPTC “陶瓷PTC”始終處于熱動平衡狀態，這是因為熱敏電阻不能完全阻斷對燈陰極的分流，熱敏電阻體溫的高低影響著通過電流的大小。通過電流的大小又影響到熱敏電阻體溫的變化。具體地講，當CPTC “陶瓷PTC”呈現高阻狀態時，電流減小，CPTC “陶瓷PTC”體溫隨之降低，阻值便減小，又導致流過CPTC “陶瓷PTC”的電流增大，如此循環使熱敏電阻始終處于保護與不保護的變化狀態之中。

這種狀態有如下危害：

① CPTC “陶瓷PTC”在預熱啟動電路中始終有功耗，一般為總功率的4％。使電子鎮流器或電子節能燈的流明系數降低。經測試，40W熒光燈電子鎮流器CPTC “陶瓷PTC”的功耗大于1.6W，18W電子節能燈CPTC “陶瓷PTC”的功耗在0.8W左右。按每瓦功率發出光通量50流明計，40W和18W的電子鎮流器因此而分別損失70和40流明。

② CPTC “陶瓷PTC”的功耗產生的熱量使緊湊型熒光燈和電子鎮流器殼內的溫度升高，會造成其它電子元件特別是晶體管和電解電容器損壞，使故障率上升。

③ 熒光燈點亮后，燈絲回路因CPTC “陶瓷PTC”的存在，始終有電流通過燈絲，由此而形成發射電流，縮短了陰極的使用壽命。

④ 預熱電路中的CPTC “陶瓷PTC”在燈管點亮后，仍處于80℃以上的高溫環境下，易造成CPTC “陶瓷PTC”晶界電阻性能的蛻化，使溫阻系數改變，預熱時間變長。蛻化嚴重時啟動瞬間產生的沖擊電流會燒壞功率管。如果陰極長時間處在預熱啟動狀態，最終將會損壞燈管和電子鎮流器。 　　

⑤ CPTC “陶瓷PTC”最難滿足耐高壓這一指標。如圖7 ，當CPTC “陶瓷PTC”并聯于燈管兩端時，要承受較大的開路電壓Vtrig（一般為1000V左右），這時CPTC “陶瓷PTC”的溫阻曲線在高于開關溫度以后，上升遲緩。長期工作在高壓、保護狀態，其壽命將比日光燈的壽命更短，日光燈還沒有壞以前，陶瓷PTC就早早的壞掉了。

⑥ CPTC “陶瓷PTC”是并聯在諧振電容兩端，正常工作時是處于高阻狀態（保護狀態），如果電路有過流故障，不能完成過流保護作用。

⑦ 當高頻電流經過CPTC “陶瓷PTC”時，也會使其溫阻特性曲線在高于開關溫度TB后上升遲緩。這些都會使CPTC “陶瓷PTC”對燈絲的預熱性能變差。

⑧ 通過測試證明CPTC “陶瓷PTC”呈現有相當的電容量。在頻率較高的線路中，使用CPTC “陶瓷PTC”與啟動電容C并聯，會直接破壞鎮流器的輸出特性。特別是T5型熒光燈，一般要求電子鎮流器的工作頻率在50kHz以上，對其輸出特性影響更嚴重。

  盡管采用CPTC “陶瓷PTC”對陰極進行預熱的方式存在著上述缺點，但目前照明行業生產的電子鎮流器，凡具備預熱功能的電子鎮流器、緊湊型電子節能燈，仍有許多生產廠家還采用CPTC “陶瓷PTC”預熱方式。

  產生上述問題的主要原因是PTC在電子鎮流器上應用的誤區：部分電子鎮流器的設計工程師們，知道PTC是正溫度系數熱敏電阻，但不知道有“高分子熱敏電阻－PPTC”，與“陶瓷熱敏電阻－CPTC”，以及其電氣性能與應用上的區別，因陶瓷PTC最早應用在電子鎮流器上，并出現了問題，但因此而增加的成本又使銷售受阻，一直是一對難與處理好的矛盾。

4、使用高分子PTC作電子鎮流器的過載保護：

  使用高分子PTC作電子鎮流器的過載保護，高分子PTC又名PPTC，簡稱“PTC”或“WHPTC”，“WHPTC”是我司的“萬和”牌“PTC”。高分子PTC不僅能克服陶瓷PTC（CPTC）的缺點，而且能很好的達到開機軟啟動、過流保護、過溫保護的目的。具體討論如下：

  使用高分子PTC作電子鎮流器的過載保護的方法是，在諧振回路即諧振電容旁邊串接WHPTC熱敏電阻。如圖8所示。

圖8 高分子PTC特性與電子鎮流器異常保護的應用原理框圖

  當燈管正常時，電子鎮流器接通電源后，電感、電容和PTC熱敏電阻組成的諧振電路使熒光燈正常啟動工作。如果燈管因燈絲老化或漏氣等原因而去激活時，PTC熱敏電阻會在數秒鐘內動作，迫使LC 串聯諧振電路停振，從而切斷高壓，同時保護了逆變器中的開關器件。如圖9所示。

圖9 高分子PTC作電子鎮流器異常保護的應用原理圖

該保護方式的優點和達到的目的是：

① 從圖6可見：在正常工作時，因WHPTC的阻值很小(WH130-300是1.3—2.6.歐姆)分壓很低，電壓主要是電容Cp的容抗(708.567歐姆)分去了，所以對PTC的耐壓要求并不高。耐壓130V的WHPTC已足夠了。（Xcp=1/2πf c=1/2×3.14×35×103×6.8×10-9＝708.567歐姆,Cp=6n8 ;f=35KHz）。

② 因WHPTC的阻值很小，工作時的插入損耗非常?。梢圆挥嫞?，對日光燈的流明沒有損失，不影響日光燈的發光亮度。

③ 雖然WHPTC的阻值小，但燈絲的阻值也只有10歐姆左右，即等于在這個電路上加入了四分之一的直流電阻，在燈管啟動過程中的限流作用，能大大減小燈絲電極的濺射作用，從而真正保護燈絲,大大延長燈管的使用壽命。

④ 當有燈管發生破裂、燈管一端發黑等故障時，諧振電容上的電壓會升高導致電流迅速增大，會燒壞開關晶體管和擊穿諧振電容，使用了WHPTC后，會在電流升高的過程中及時保護，保護后電路停振或削弱振蕩，限制了電壓的升高，所以不會有高壓損壞PTC和諧振電容。

⑤ 當電子鎮流器內部的溫度超過規定的溫度時，PTC會及時保護，不會產生損失。

⑥ 對使用IC做驅動的， IC內部完成保護功能的采樣點，設定在3倍工作電流的位置上，當電流長時間處在2－3倍之間時，IC不但不保護，而且會產生高溫損壞IC和開關管，然而，當使用WHPTC后，能在過電流超過工作電流的1.7倍至2倍時，及時保護，這就可以彌補IC保護帶來的不足。

⑦ 一旦市電電源供電發生故障（如電網電壓升高過多），使電子鎮流器內部電流過高時，PTC會及時保護整個電路，不會造成電路損壞，更不會發生火災事故。

⑧ 日光燈是一個負阻器件（負溫度系數的元件），使用正溫度系數的WHPTC串聯在其回路上，不但有過溫、過流的保護作用，還能在一定范圍內起到溫度補償的作用。

⑨ WHPTC不但可以用于諧振電容的串聯，還可用于電源的輸入端及整流濾波電路與高頻逆變電路之間（如圖10所示）,使用靈活、簡單。

圖10  WHPTC可安裝使用的位置

⑩ 對于一個電子鎮流器帶多個日光燈的，當其中一個日光燈損壞后，因WHPTC的保護作用，使其他日光燈繼續正常使用而不受那個損壞日光燈的影響。如圖11所示：三個日光燈中如果有一個或二個日光燈電路損壞，其他的日光燈將正常工作。

圖11  一個電子鎮流器帶三個日光燈原理框圖

  正因為高分子PTC作電子鎮流器電路的異常保護具有上述優勢，所以被很多廠家逐漸認可、逐步應用。

  目前已經被很多電子鎮流器制造商所認識，我司開發出WH130-XXX或WH250-XXX系列電子鎮流器專用PTC熱敏電阻即使在70℃的高溫環境下仍然能保持日光燈正常工作，同時在室溫的條件下也能保證良好的保護特性；另一方面，即使經過多次或長時間提供保護后，PTC仍然可以保持性能十分穩定。

5、WHPTC作電子鎮流器電路異常保護的應用方法：

① WHPTC可以使用和安裝的位置如圖11、圖12所示，其中以用于串聯在Cp處的應用較多。

圖12  WHPTC可安裝使用的位置

  WHPTC在交流輸入端取代玻璃保險管的應用也是常見的，因WHPTC保護動作的速度比玻璃管保險絲快很多，其保護速度比較如下的曲線圖：

② WHPTC 在單燈電子鎮流器中的應用如圖13：

圖13  WHPTC在單燈電子鎮流器中的應用

圖14 WHPTC在單燈電子鎮流器中的應用

圖15 WHPTC在IC驅動的單燈電子鎮流器中的應用

圖16    WHPTC在IC驅動的單燈電子鎮流器中的應用

 圖圖17 WHPTC在單燈電子鎮流器中的應用

③ WHPTC在雙燈電子鎮流器中的應用如圖18-19：假設熒光燈其中一只去激活，則對應的WHPTC動作，對應的燈絲電流接近為0；但其它熒光燈的工作不會受到影響。這樣，用戶就不必為到底是哪只燈壽命終了或者是鎮流器損壞這樣的問題而困擾。

圖18   WHPTC在雙燈電子鎮流器中的應用

圖19   WHPTC在雙燈電子鎮流器中的應用

④ WHPTC在雙燈電子鎮流器中的應用如圖20：

圖20   WHPTC在雙燈電子鎮流器中的應用

⑤ WHPTC在單U型、雙U型節能燈電子鎮流器中的應用如圖21：

圖21  WHPTC在單U型、雙U型節能燈電子鎮流器中的應用

四、WHPTC在電子鎮流器電路保護中的特點與優勢：