簡介

1-1 研究背景 1-1-1 複金屬燈簡介

數萬年前，人類就已經懂得使用自然之火來禦寒、燒烤和照明。三千多年前，人類 開始使用簡單燈具承載燭火，書寫文明史。從粗糙的石燈到青銅燈、陶瓷燈到電燈，燈 具的歷史變遷打上了深刻的時代烙印，同時也是社會經濟和文化的縮影。十八世紀，英 國化學家漢弗萊戴維發明電弧光燈，人類進入了利用電照明的時代。在 1879 年的美國 加州劇院，人類第一次使用電弧光燈(Electric arc light lamp)。十九世紀，愛迪生以鎢絲 為燈絲發明了家用電燈泡，人類的生活才起了巨大的變化。近年來，隨著科技的發展，

在人造光源的部份，也有各種不同的發明[1]。各式各樣的人造光源被廣泛地應用於各種 場合，如一般住家、公園、大型賣場、體育館、機場…等。現在由於環保意識抬頭及能 源的拮据，必須逐步汰除發光效能不高以及有環境污染顧慮的人工光源體，而以高發光 效能且無污染的新綠色照明光源替代。傳統鹵素燈與鎢絲燈有著發光效率不高和發熱量 太大之疑慮時，可以採用氣體放電燈來替代傳統鹵素燈與鎢絲燈的問題，所以在傳統的 民生照明光源市場中，正悄悄的掀起另一波照明光源的替代趨勢。然而不同類型的人造 光源，其發光原理以及特性亦截然不同。以鎢絲燈來說，其驅動可使用直流或交流電源，

而螢光燈、鈉燈、水銀燈、氙燈以及複金屬燈則需使用交流電源並搭配安定器方可驅動。

複金屬燈(Metal halide lamp；MHL)又名金屬鹵化物燈，利用氣體放電產生可見光，

是高照度氣體放電燈(High intensity discharge lamp)的一種。表1.1為各類型之人造光源特 性對照表[2]，相較於其他光源，複金屬燈具有高演色性、高發光效率、低光衰與使用壽 命長等優點，以往常取代水銀燈作為路燈，或用於室內舞台、大型維修工廠、百貨公司、

大型賣場和體育場等特殊場所，如圖1.1所示。複金屬燈經照明燈具廠商不斷研發改進，

應用日漸普遍，功率由數十瓦至數千瓦，小至汽車之頭燈，投影機之投射燈，大到體育 場的照明，成為相當具有潛力的照明燈具[3-5]。

近年來不斷的研發改進下，大部份的複金屬燈內管燈殼，已由原先石英玻璃材質改 良為新型陶瓷材質，進一步提升複金屬燈演色性及發光效率，也因為陶瓷具有耐高溫之 特性，進而延長了複金屬燈的使用壽命。圖1.2為不同材質之複金屬燈，圖1.2(a)為具石 英內管之複金屬燈。圖1.2(b)為具陶瓷內管之複金屬燈，屬於目前新型之複金屬燈[6]。

表 1.1 各類型之人造光源特性對照表[1,2]

光源種類 發光效率(lm/W) 壽命(khrs) 色溫(K) 演色指數(CRI) 白熾燈 12~16 0.8~1 2800~3000 100 鹵素燈 20~25 1~3 2900~3200 100 PLC 燈泡 65~95 6~10 2700~6500 80~90 高壓鈉燈 45~110 16~24 2000~2500 20~85 低壓鈉燈 85~150 14~18 2000~2500 20~30 水銀燈 25~50 16~24 3300~5700 10~60 複金屬燈 45~95 7.5~20 3000~6000 60~96 白光 LED 40~50 60~100 4500~8000 65~90

(a)水族照明 (b)投影機光源

(c)建築照明 (d)球場照明

圖 1.1 HID 燈各種應用場合圖

(a)石英材料 (b)陶瓷材料 圖 1.2 不同內管材質之複金屬燈

1-1-2 電子安定器與傳統電磁耦合式安定器

複金屬燈和螢光燈一樣具有負增量電阻（Negative incremental resistance）特性，必 須使用安定器來限制燈管電流，使燈管穩定工作。此外，複金屬燈從啟動到穩態工作要 經歷電壓崩潰（Breakdown）、輝光放電（Glow-discharge）、輝光轉弧光（Glow-to-arc）

及熱平衡（Thermal equilibrium）等過程[7~9]。安定器在啟動時必須提供適當的高點火 電壓（幾仟伏特）使得弧管裡的氣體電離產生電壓崩潰，之後電子碰撞導致弧管的溫度 上升並使金屬鹵化物蒸發而且壓力增加。然後，進入溫度與壓力爬升階段，這階段可能 持續若干秒。最後，當管內的壓力完全建立，燈管溫度和亮度到達平衡，燈管保持穩定 的氣體放電狀態。

安定器除了具有穩定燈管電流的功能外，在啟動時也提供足夠的點燈電壓使燈管內 的氣體游離而產生電離現象[10]，當點亮後則只需提供一個較低的燈管電壓，以維持燈 管氣體穩定持續放電[11,12]。複金屬燈使用的安定器種類可分為傳統電磁耦合式安定器 及電子式安定器二種;傳統的電磁耦合式安定器(Electromagnetic ballast)頻率與市電頻 率相同，除了體積大、笨重、會發出低頻嗡嗡聲噪音與低頻閃爍現象外，能量轉換效率 低、燈管工作點與輸入電壓變化大等缺點都讓產品設計上受到相當大的限制與困擾 [13]。而電子安定器優點為體積小、重量輕且能控制燈管的工作頻率及額定功率。此外，

電子式安定器工作於高頻，除了可以滿足電子產品輕、薄、短、小的趨勢要求外，還具 有較高發光效率（Higher luminance efficiency）、較長燈管壽命（Longer lamp lifetime）

與可調光特性（Dimming capability）等，已逐漸取代傳統低功因電磁耦合式安定器而成 為市場的主流產品。

1-1-3 音頻共振

音頻共振現象之所以會產生是因為複金屬燈的放電電弧驅動氣體所產生的振盪壓 力與管壁反射的壓力同相位時，所發生的共振現象。目前已有很多文獻提出來解決音頻 共振問題[14-17]，所有方法是以一項簡單的原則為基礎：使複金屬燈工作在不會產生音

頻共振的頻率，或者是減少與燈管的特徵頻率有關的特定頻率能量。亦即，只要降低會 引發音頻共振的能量成份至特定值以下，音頻共振就不會發生。這些方法包括：操作在 不會產生音頻共振的頻率窗口（Frequency window），然而複金屬燈音頻共振頻率與燈 管構造、內部氣體參數及內部的材料密切相關，所以不同廠牌燈管的音頻共振的頻率分 佈不盡相同；即使是相同廠牌，也會因為製造時的環境或材料的些許差異而改變音頻共 振的頻率分佈。此外，發生音頻共振的頻率會隨著燈管的使用時間而改變。因此，尋找 使每支燈管都不會產生音頻共振的操作頻率並不是件容易的工作。另一種可行的方法是 以特高頻率( >500 kHz)電流驅動燈管[18]。在特定高頻以上，燈管並不會有音頻共振之 虞。然而，為了維持電路效率，必須選擇合適的安定器電路架構與相對控制方法、電路 參數與開關元件，安定器才能在超高頻切換下能滿足效率需求，這增加了設計安定器的 困難度與電路成本。另一種控制趨勢是調變安定器的切換頻率和相角[19,20]，這些方法 是擴展燈管的能量頻譜並降低供應燈管特定頻率的能量。這些方法的缺點在於頻率與相 角調變機制必須隨著不同燈管與使用週期而調整。

研究發現音頻共振總是發生在高頻率(幾千赫到幾百千赫)頻段，而在低頻率(1 千赫) 以下工作的燈管不會發生音頻共振現象。考慮實際的電路效益和解決音頻共振問題，以 低頻方波（Low frequency square-wave）電流來驅動複金屬燈是一個可行的解決方案，

它具有電路架構簡單與可靠度高等優點，因此，低頻方波驅動燈管的電子安定器是目前 市面上的主流產品 [21,22]。

1-1-4 功因修正電路

傳統電子安定器的整流架構會產生脈衝電流，造成輸入電流波形扭曲、低功率因 數 、 高 電 流 諧 波 … 等 問 題 ， 導 致 降 低 電 力 系 統 使 用 率 與 產 生 電 磁 干 擾 (Electro-magnetic-interference；EMI)影響通訊。為了符合電力品質規範，必須在安定器 與整流電路之間多加一級功率因數修正電路(Power-factor-correction；PFC)。常見三級或 兩級架構電子安定器通常將功因修正電路做為第一級電路[21-24]。然而，三級或兩級架 構有高電路成本以及低效率等缺點。為了改善上述缺點，同時又滿足高功率因數、低電

流總諧波失真與高電路效率的要求，本文針對目前三級或雙級架構的複金屬燈電子安定 器，將前級的功因修正電路與後級燈管驅動電路（即整合後之降升壓型轉換器與全橋換 流器）做進一步整合。如此，可以獲得新型單級架構的電子安定器，將進一步降低產品 成本而提升市場的競爭力。此外，由於單級架構僅需要一次電能轉換的過程，就能將能 量提供至複金屬燈，整體的電路效率將更進一步提升，達到了省能、高發光效率的設計 目標，也對保護地球環境作實質有效貢獻。

1-2 論文大綱

本論文內容分為五章陳述，各章內容安排如下：

第一章：論文簡介，並闡述本文的研究背景與動機。

第二章：說明複金屬燈特性，與探討不同架構電子安定器的比較。

第三章：針對本文所提出之單級架構電子式安定器加以分析，並對電路之動作原理 加以說明介紹。

第四章：電路參數設計，並將電路電腦模擬與實際量測結果作比較，以驗證電路之 可行性。

第五章：對本文提出一個總結，並對未來的研究方向做說明。