电子镇流器的安全与电磁兼容探析

　　3.1 强制性标志的要求

　　新标准除了保留旧标准的标志内容外，增加了Ｕ－ＯＵＴ值（最大工作电压有效值）作为强制性内容，在电子镇流器产品上必须要标出。其Ｕ－ＯＵＴ值还是检验介电强度、爬电距离、电气间隙及关联部件的保护措施是否符合标准要求的判断依据。笔者在对此类产品的检验工作中发现，大部分企业生产的该类产品都没有标出Ｕ－ＯＵＴ值或随意标注。更有甚者，为了能够通过标准中的关联部件的保护措施条款的考核而标注较大值，笔者在检验中就发现有个别产品标注的Ｕ－ＯＵＴ值竟为１．５ｋＶ。这种现象是由于条款规定没有引起电子镇流器产品生产企业或相关的从业人员的重视，或对标准理解不透彻所致。

　　由于比Ｔ８、Ｔ１０灯管更加高效节能的Ｔ４、Ｔ５细管径灯管的出现，电子镇流器为了与此类灯管相匹配，必须提高启动电压和工作电压。随着荧光灯所需求的启动电压的提高，电子镇流器输出的高启动电压除了施加在灯管上，还要同时施加在灯座、连接器等部件的不同极性的电极之间，以及每一电极与灯具金属外壳（接地金属）之间。另外，这一启动过程的高电压也同时作用在电子镇流器内部的电路与金属外壳之间、电子镇流器输出电路的不同极性电极之间。因为镇流器一般是装在灯具内工作的，为了使灯具内的灯座以及相关的器具连接器内电极与灯具金属部件之间的爬电距离和电气间隙也能满足使用安全性的要求，因而提出了Ｕ－ＯＵＴ值的要求。

　　新标准中规定，Ｕ－ＯＵＴ值是指电子镇流器的“输出端之间以及适用的任意输出端与地线之间的最大工作电压（有效值）”。当此工作电压小于或等于５００Ｖ时，应以１０Ｖ为一级做出标志；当工作电压大于５００Ｖ时，应以５０Ｖ为一级做出标志。最大工作电压的标志应参照以下两种情况给出，一是镇流器的输出端之间的最大工作电压；二是镇流器的任意输出端与地线之间的最大工作电压。Ｕ－ＯＵＴ值是由荧光灯的启动峰值电压值所决定的，而荧光灯启动峰值电压值就是电子镇流器开路峰值的设计值。由公式Ｕp-p=荧光灯最小开路电压有效值×镇流器开路电压波峰比×保险系数×２（荧光灯最小开路电压有效值可在标准ＩＥＣ　６００８１和ＩＥＣ６０９０１中查出，镇流器开路电压波峰比一般取１．７，保险系数取１．５）算出。在计算出最大峰值后，参照ＧＢ １９５１０．４－２００５中表１查出对应的工作电压有效值就为该镇流器的Ｕ－ＯＵＴ值。正因为Ｕ－ＯＵＴ值是这样确定的，因而镇流器的适配灯管型号理应加以明确，这也是标准中关于标志条款考核的内容之一。但笔者在检验中发现，有大部分产品没有标注此内容，此举对企业来说是不利的。因为在此类产品检测中，如果没明确说明适配光源，一般检验机构都会以最严格的条件来考核，即可能会选用多种相应的光源进行测试。

　　3.2 介电强度的考核

　　ＩＥＣ标准中规定电子镇流器的工作电压是指镇流器在工作时，包括正常状态和异常状态情况下任何接线端子间或接线端对地间产生的最大稳态有效电压值。而较多的电子镇流器的输出端在正常工作状态或异常工作状态下的电压一般都高于电源电压，所以在对镇流器进行介电强度考核时的试验电压应为２Ｕ＋１０００Ｖ。其中Ｕ值应是镇流器的最大工作电压亦即Ｕ－ＯＵＴ值，而不是电源电压值，这与普通灯具做介电强度试验有所不同。这个项目不合格的原因通常是跨地电容（Ｙ电容）漏电流过大，应选取耐热、耐压高、漏电流小的安规电容作为跨地电容，以保证能通过该条款的考核。

　　3.3 防潮与绝缘的要求

　　在防潮与绝缘方面，新标准在旧标准原有的条款基础上又增多高频容性泄漏电流要求。设立这一条款的本意是预防人在高空换灯管时，电子镇流器的电源没断掉而产生的高频电流，这个电流会使人麻电而本能地闪避，从而引起高空跌伤的意外。要进行高频容性泄漏电流测量时，镇流器必须具有异常保护功能。因为在换灯管时一般会先装好一头再装另一头，这样做使得镇流器处于异常工作状态，本条款就是模拟这样的情形进行测量的。对于串联谐振预热式电子镇流器来说，这是比较严格的考验，如果没采取相应措施，镇流器一般会在一分钟内损坏。

　　造成这一项目不合格的原因是由于镇流器对灯管的预热电流大、持续时间长。因为镇流器启动时的高频容性泄漏电流与荧光灯管的预热电流有关。所以在设计镇流器时，应让镇流器在通电瞬间产生较大的预热电流，并以足够的预热时间使灯管灯丝达到发射电子所需的温度，达到电子发射状态之前在灯丝周围形成足够的电子云，加到灯管两端的电压迅速下降到安全水平，避免出现辉光放电损伤灯丝。灯丝预热温度过低，会导致电子发射不足；而温度过高，则说明预热时间过长，势必会造成高频容性泄漏电流增大，使得镇流器不能通过本条款的考核。

　　目前比较流行的灯丝预热电路，就是利用热敏电阻具有开关作用的特性来对灯丝预热。预热时间一般都在０．４～２ｓ之间，热敏电阻直径越大，预热时间越长，反之亦然。这种预热电路只要热敏电阻选择得当，一般都可以符合标准的要求。但选用热敏电阻有增加功耗的缺点，可在热敏电阻ＰＴＣ串接一个触发二极管或双向稳压二极管组成无功耗预热电路加以解决。

　　3.4 故障状态、异常状态及关联部件的考核

　　国际上对镇流器的寿命要求很高，通常要达到４万小时以上。因此，作为独立安装、灯管可更换的镇流器必须具备异常保护功能。当镇流器出现故障或处于异常工作状态时不应损坏，一旦消除异常状态应仍能继续正常工作。旧版的ＩＥＣ标准中早就引入“异常状态”这一条款，主要是模拟作为镇流器负载的荧光灯出现从灯座上脱落、灯管漏气、灯丝熔断或阴极去激活（整流效应）等异常情况时，镇流器能否避免被损坏。

　　而在新标准中增加了关联部件的保护措施条款。条款主要考核镇流器接上模拟电阻（阻值Ｒ＝１１．０/（２．１×Ｉｎ），其中Ｉｎ为灯的标称工作电流）后，在０．９～１．１Ｕｎ电源电压处于正常工作状态或异常工作状态下，其输出端对地的电压不应大于标准中所对应的最大峰值电压；当接通电源或开始启动５ｓ后，其任一输出端对地或输出端间的电压（有效值）应不超出镇流器所标称的Ｕ－ＯＵＴ值；当镇流器处于整流效应下的异常状态时，在接通电源或开始启动３０ｓ后，其任一输出端对地或输出端间的电压（有效值）应不超出镇流器所标称的Ｕ－ＯＵＴ值。

　　镇流器能否通过以上两条款的考核，关键是镇流器是否设计有保护电路，以及保护电路启动的时间调整是否合适。保护电路动作时间过早，会导致荧光灯点不亮或加速灯管灯丝老化而缩短寿命；时间过长，有可能会使镇流器通不过关联部件的保护措施条款的考核。

　　电子镇流器的保护电路一般包括过流保护电路、过压保护电路及异常状态保护电路。因为镇流器接通电源电压后，整流二极管开始对电解电容进行充电，在短时间内产生一个比正常工作电流大很多的浪涌电流，如果不采取措施有可能使镇流器在通电瞬间损坏。可在输入回路串接一个限流电阻或负温度系数电阻ＮＴＣ以减小浪涌电流。此外，当电网电压出现过大的波动或雷电干扰时，镇流器也会因过压而损坏。要解决这个问题，需在镇流器输入回路并联一个压敏电阻Ｚ１，以消除所产生的尖脉冲。为了预防镇流器的整流回路由于整流二极管和电解电容损坏而造成断路或短路，还应该在电源输入级中加装保险丝或保险电阻Ｆ１，以加强镇流器的使用安全性。

　　而在电子镇流器发生异常状态时，其保护电路较为复杂。有些企业为节省成本，只在镇流器输出回路中串入一个可恢复的过流保护元件（聚合物开关）。这种元件是由特殊处理过的聚合树脂及导体组成，在常态下其阻值很低，可视为短路导通。当流过聚合树脂的电流在短时间内变大时，会产生很大热量使其温度在短时间内迅速升高，致使阻抗迅速增加，从而限制了异常电流的大小，以此来达到保护镇流器的目的。但这种方式会使镇流器始终处于保护、触发、又保护的恶性循环中，使得采用这种方式保护的镇流器虽然在异常状态下能工作１小时以上（标准要求镇流器需在异常状态下工作１小时），可却通不过关联部件的保护措施条款的考核。笔者在检验中就常遇到这种情形，一些镇流器产品的Ｕ－ＯＵＴ值标得很高（５００Ｖ），其实该镇流器的最大工作电压远没有这么大。在第一次测试时异常状态工作５ｓ后和整流效应工作３０ｓ后所测到的电压超过４００V（有效值），在重复进行第二次测试时却超过５００V电压（有效值），出现第一次测试合格而第二次复测却不合格的现象。

　　其实，最好的保护措施是当镇流器出现异常状态时，其电压或电流会在短时间内有较大的波动，只要把这个异常的电压或电流检取出来，利用它设法使镇流器的半桥逆变电路停止工作，启动电路不再触发即可。这种保护电路的取样方式一般有两种，一是在输出电感增加一组副绕组，经积分、整流得到一个电压来驱动可控硅，使得半桥逆变电路的开关三极管的基极与地短路而停止工作；二是直接在输出电感端引出，再经积分、整流得到的电压直接驱动可控硅，让半桥逆变电路停止工作（见图２，波浪线圈内为第一种取样方式，虚线为第二种取样方式）。其工作方式为：在取样电路得到一个能够使ＶＤ２导通的电压，这个电压经Ｒ７驱动Ｑ４，使集电极和发射极导通到地，从而使开关管Ｑ２停止工作；这个电压同时还经Ｒ８驱动可控硅Ｑ５动作使Ｒ３分流到的电流与地直接导通，从而积分电路不能再对Ｃ８充电，致使ＶＤ１无法获得足够的电压使之导通，镇流器不会再次启动工作，起到保护作用。

　　3.5 绝缘部件的耐热和防火要求

　　关于绝缘部件的要求，新标准和旧标准一样，规定镇流器所用塑料材质的绝缘部件应充分耐热，还要能承受住ＧＢ/Ｔ ９１６９．５规定的“针焰试验”。只要是采用耐热（１５０℃以上）、阻燃材料的塑料材料基本都可以通过标准中的耐热和防火条款的考核。

　　４ 电子镇流器产品的电磁兼容要求

　　4.1 电磁兼容的基本概念及产品的电磁兼容问题整改思路

　　在我国的３Ｃ认证体制中，电子镇流器产品除了要进行安全认证外，还包括电磁兼容（ＥＭＣ）认证。电磁兼容就是研究在有限的空间、时间及频谱条件下，各种电气设备可以共存而不至于引起降级的一门科学。它包含两个方面的含义：一方面要求产品防止或减少产生电磁干扰，以免造成其它电气设备性能下降或损坏；二是要求产品对外界的电气设备所产生的电磁干扰有一定的抵抗能力，以免自身性能下降或损坏。以上要求说明，在设计产品时，在满足预期所要求的功能和性能外，还必须考虑该产品要能在复杂的电磁环境中与其它电气设备“和平共处”，既不会对其它设备产生干扰，也不会受到其它设备的干扰，这就是产品的电磁兼容性。

　　电磁兼容性包括两部分：电磁干扰（ＥＭＩ）和电磁敏感性（ＥＭＳ）。在我国境内生产或销售的产品目前只强制性要求满足电磁干扰性指标，对于电子镇流器产品来说，只要能通过ＧＢ １７７４３－１９９９标准和ＧＢ　１７６２５．１－２００３标准条款的考核，就可以取得我国的３Ｃ电磁兼容认证证书。虽然我国早在２０００年就颁布标准强制实施照明类产品的电磁兼容标准，但是我国生产的电子镇流器产品大都没能符合这一要求，这也是笔者在对该类产品检验中遇到的不合格最多的项目。

　　鉴于组建一套电磁兼容测试系统的价格对于中小企业来说是难以承受的，而一般照明设计工程人员苦于缺乏关于电磁兼容方面的知识，不知如何设计出既能满足性能要求又符合相关电磁兼容标准要求的电子镇流器产品。因此，笔者就电子镇流器的工作原理及其产生电磁干扰的原因进行分析并提出相应整改措施。

　　首先，简单了解关于电磁兼容的问题，或者叫电磁干扰问题。产生电磁兼容问题必须要同时具备三个条件：一是干扰源（产生干扰的电路或设备）；二是敏感源（受这种干扰影响的电路或设备）；三是耦合通道（能够将干扰源产生的干扰能量传递到敏感源的途径）。

　　这就是电磁兼容的三要素。只要将这三个要素中的一个消除或采取措施加以抑制，电磁干扰就会消失或减小。因此，电磁兼容技术都是围绕这三个要素进行研究的。

　　4.2 电子镇流器的工作原理

　　对于电子镇流器来说，它是由整流电路、半桥逆变电路和ＬＣ谐振电路三部分组成（见图２）。其工作原理是：整流电路（二极管Ｄ１～Ｄ４组成桥式整流）首先把工频交流电（２２０Ｖ）转化成直流电，经电解电容（Ｃ７）滤波得到稳定的直流电压（约３００V以上）输出，然后经过高频变压器（Ｎ１、Ｎ２和Ｎ３）驱动开关三极管（Ｑ１和Ｑ２）使其通断，产生得到受控的高频电压，再通过输出电感（Ｌ２）将灯管点亮并持续发光。

　　4.3 谐波的产生及改进措施

　　由于整流二极管的单向导电性和电解电容的储能作用，只有当输入电压超过Ｃ７两端的电压时，Ｄ１～Ｄ４才会得到正偏而导通。整流回路电流除了供给半桥逆变电路工作外，还同时对Ｃ７进行充电。但输入电压瞬时值低于Ｃ７端的电压时，整流管就会由导通变为截止而停止对Ｃ７充电，改由Ｃ７向半桥逆变电路供给电流以维持其工作。而Ｃ７容量一般都较大（一般为１５～２２μＦ），当负载电流较小时，致使Ｃ７充电时间短而放电时间过长，整流管的导通时间变短，使得输入电压只在正弦波峰值很短的一段时间内才有电流对Ｃ７充电，这个电流是一个很窄但峰值又很高的周期性尖脉冲电流。除了基波外，这种畸变的输入电流还含有很丰富的高次谐波分量，这些过高的谐波分量会对公共电网造成严重影响，从而形成谐波干扰。

　　有人认为，完全可以采用小容量的电解电容来代替Ｃ７，这样既可以降低谐波含量，又可降低成本（笔者接触的很多工程技术人员在对谐波项目整改中都是采取这种办法）。其实这个方法是不可取的。Ｃ７如果取值过低，滤波效果变差。因为使Ｃ７放电时间大为缩短，充放电间隙周期更短，流入Ｃ７的周期性尖脉冲电流则更窄，会使直流脉动电压起伏变大，使灯电流的波峰系数变大，对灯管极为不利。同样，灯的光通量起伏也加大，对人的视力造成较大损害。直流脉动电压起伏变大也会使得Ｑ１和Ｑ２不能处于最佳工作状态，容易发热而导致损坏，镇流器的使用寿命将大大缩短，得不偿失。

　　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，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，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：
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　　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
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　　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》