HID灯电子镇流器的电磁兼容和电气安全

  要：本文阐述了大功率高强度气体放电灯电子镇流器在电磁兼容和电气安全方面的问题，并进一步探讨其解决方案。本文相关的实验数据均为认证实验室的测试结果。 　　一、引言
　　随着绿色照明的开展，我国的电子 镇流器行业得到了迅猛发展。根本市场发展动态分析，预测全国HID灯产销量2005年为1亿只，2010年可达2亿只，平均年增长20%。电子镇流器以其优良的电气特性在HID灯镇流器市场中的份额正在逐年增加，电磁兼容和电气安全爱步影响到我国HID灯电子镇流器发展。
　　二、电磁兼容
　　电磁兼容性即EMC（ELECTRO-MAGNETIC COMPATIBILITY）,乃指产品在优良的设计下不干扰别的产品，也能忍受外界电磁干扰的能力，EMC包括EMI(ELECTRO-MAGNETIC INTERFERENCE)和(EMC(ELECTRO-MAGNETICSUSCEPTIBILITY)。EMI即电磁干扰，指含有电子电机零件的仪器，装置整组设备或整套系统因动作而产生和一种电磁波噪音，或装置本身不需要的信号，经由辐射或传导路径影响其它装置，造成其它装置不正常或失真。EMS即电磁耐受性，也就仪器装置整组成或整套系统本身具有抗拒外面噪声，免除被外界噪声干扰的能力。
　　目前世界上很多国家或地区对于电子信息产品的EMI/EMS均有严格的管制措施，如美国FCC，欧盟CE,日本的VCCI及电气用品取缔法，澳洲的SMA，加拿大和韩国等国家或地区均有专司EMI/EMS管制法规条文，对于销往这些国家或地区的产品都须经过测试合格，方可合法的运送及销售。
　　以德国TUV的EMC认证为例，根据EN61000-3-2：2000，EN61000-3-3：1995+A1，EN55015：2000+A1+A2,EN61547：1995+A1,EN61000-4-3：1995，EN61000-4-4：1995，EN61000-4-5：1995，EN61000-4-6：1996，EN61000-4-11：1994，HID灯电子镇流器的EMC主包括以下内容：
　　（1）       Harmonics on AC Mains
　　（2）       Voltage Fluctuation on AC Mains
　　（3）       Mains Terminal Continuous Disturbance Voltage
　　（4）       Radiated Electromagnetic Disturbance
　　（5）       Electrostatic Discharge
　　（6）       Radio Frequency Electromagnetic Field
　　（7）       Fast Transients on AC Power Lines
　　（8）       Injected Current into AC Power Port
　　（9）       Surges to AC Power P ort
　　（10）   Voltage dips and interruptions to AC Power Port
　　HID灯电子镇流器基本电路结构大致如图1所示。随着PFC技术的成熟，功率因数校正电路可以使电子镇流器的功率因数提高到0.99以上并使THD值符合标准，但仍然存在强度很大的电磁干扰（EMI）,表1和图2分别为功率因数为0.996的400W金卤灯电子镇流器所测得的THD值，9KHZ-30MHZ频率段内的传导干扰电压值。EMI已经成为制药国产中、大功率HID灯电子镇流器进军国际市场和发展的一道障碍。
　　由于HID灯电子镇流器EMI的频率相对较低，虽然身产生辐射干扰，并且输出导线和灯管也产生辐射电磁干扰，但可发通过将电子镇流器金属外壳和灯具外壳可靠接“地”的方法解决。电子镇流器的辐射干扰一秀都在EMC标准之内，其产生的干扰主要以传导形式为主。下面将讨论其传导干扰面临的问题和解决方案。

表1平均谐波电流测试数据（Average harmonic current results）



我们通过大量试验发现，HID灯电子镇流器的传导干扰存在以下特点：

　　（1）       在130KHZ-500KHZ附近干扰强度大且难以抑制。
　　（2）       负载功率大小影响干扰强度。
　　（3）       干扰源多且不同具体电路结构情况影响不同。
　　（4）       体积和成本要求EMI滤波器不能太复杂。
　　（5）       EMI滤波器参数设计不合理会对THD 值和电气安全产生负面的影响。
　　（6）       EMI的解决对豆整机的效率和器件的温升有负面的影响。
　　HID灯电子镇流器电磁兼干扰（EMI）面临着采用的关键技术以及成本、体积、工艺制作、可靠性、兼顾性等众多难题。
　　EMI的解决离不开对CMI干扰源、传输耦合途径的准确判断和EMI现象的分析综合，大量的试验是解决EMI问题的基本手段。从HID灯电子镇流器基本电路结构可知，电路中的整流管、功率因数校正电路中的开关管，整流管，储能电感、逆变电路中的开关管和负载匹配网络中的电感等皆 为EMI的干扰源。通过大量的试验得知，可以合理设计开关管驱动电路和吸收电路，屏蔽开关管与机壳的耦合路径，在PFC整流管两端并小电容C或RC，合理的设计PFC 和负载匹配网弹射器 的电感的等方法对干扰源处进行抑制。对干扰源处进行分析和抑制是一种非常有效EMI解决方案，而且可以减小前端EMI滤波器的体积 和降低成本。
　　抑制干扰的另一种有效方法是应尽量阻断干扰的传输耦合途径，可在输入端设置EMI滤波器，在输出端设置共模电感，合理设计的PCB布局和地线布线方式，改变进出线的方式。也可采用对干扰进行屏蔽，但往往会带来成本的增加和工艺的复杂，不宜批量产品的生产。另外合理选择前端EMI滤波器电路结构及差模和共膜电感的磁芯可以减小EMI滤波器体积和成本。我公司通过EMC认证的600W高压钠灯电子整流器前端EMI滤波器电路和认证实验室测试结果如下图3所示。
　　值得每个HID灯电子镇流器研发人员注意的是，镇流器PCB的元器件布局、布线及地线的走线方式将会对电子镇流器的EMI问题的解决起着决定性的影响。但往往在电子镇流器研发阶段，EMI是被人们所忽视的。这给产品认证阶段的EMI整改带来一定的困难，也造成产品过程中时间和资源的浪费。还有一个设计原则是不要过于追求滤波效果而造成成本过高，只要达到EMC标准的限值要求并有一定的余量（一般可控制在6dB左右）即可。
　　以下为我公司生产的400W金卤灯电子镇流器干扰电压的EMC认证测试结果。
　　三、电气安全
　　随着“中国强制认证”（CCC）的推广，虽HID灯电子镇流器未被列在认证范围之内，但其电气安全方面得到了研发和技术人员的足够重视。
　　然而由于HID灯及其电子镇流器技术的复杂性，HID灯电子镇流器的电气安全的些细节仍存在着被忽视或难已准确地判定。其中灯异常情况的有效判定和保护，整流效应限定和解决方案值得我们进一步深入探讨和研究。产品的电气安全和EMC、体积、重量、工艺、成本存在着相互制约的关系。大功率HID灯电子镇流器由于其散热和体积等因素的考虑，常作为一个独立安装器件。电子镇流器的接地不止影响EMC，还要满足电气安全的结构要求。根据IEC61347和IEC60598等标准的要求，接地必须解决电气结构的要求和因体积和重量及成本等因素导致体不可能太复杂间的矛盾。同时还要解决实际应用对电子镇流器IP等级的要求和壳体间的矛盾。
　　四、结束语
　　鉴于目前市场上低档HID灯电子镇流器产品，质量低劣、可靠性差、失效率高，而且参数与HID灯不匹配，以及镇流器保护功不全，影响灯管的发光效率和使用寿命，电路输出的高次谐波含量高，对电网干扰大等缺点。满足电磁兼容和电气安全要求的高性能HID灯电子镇流器的开发研制和生产，无论从社会效益，还是经济效益方面看，都是一项非常迫切的任务。另外，高性能HID灯电子镇流器的价格尽管高于传统电感型镇流器，但考虑电费上涨，元器件价格下降、灯寿命以及人工维护费用等因数，从长期节电的费用上考虑还是能得到明显补偿的。所以高性能HID灯电子镇流器必将代替电感式镇流器，在绿色照明工程推广中起到重要作用。
　　我公司和哈尔滨工业大学电气自动化学院合作研发生产的MH系列和HPS系列HID灯电子镇流器已全面通过德莱茵技术的TUV/GS、CE、EMC认证，成功解决了HID灯电子镇流器在EMC和电气安全等方面的问题。且已经在上海杨浦大桥和一汽等多家大型企业成功应用，并出口荷兰、新加坡、韩国以及香港等国家和地区。

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hid不温不热啊。