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???? 關(guān)鍵詞：電子鎮(zhèn)流器，功率因數(shù)校正，諧振
1 引 言
傳統(tǒng)的電感式鎮(zhèn)流器具有效率低、重量大、閃爍嚴(yán)重、噪音大、功率因數(shù)低等缺點(diǎn)，不能滿足人們對(duì)照明質(zhì)量的要求。而用于熒光燈的高頻電子鎮(zhèn)流器具有重量輕、光效高、無閃爍、無噪音、壽命長的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于照明系統(tǒng)中〔1〕。
單級(jí)PFC電子鎮(zhèn)流器由于使用器件少、成本低〔2〕，而成為人們研究的熱點(diǎn)。但是，單級(jí)結(jié)構(gòu)中的PFC整流部分和逆變部分通常共用一個(gè)開關(guān)，使兩者之間有一定的耦合關(guān)系，給一些參數(shù)的計(jì)算帶來不便。而且這種結(jié)構(gòu)下，直流母線電壓隨著電網(wǎng)電壓的波動(dòng)而波動(dòng)，這會(huì)造成熒光燈工作點(diǎn)的變化，嚴(yán)重時(shí)可能使熒光燈無法正常工作。在單級(jí)自激式電子鎮(zhèn)流器中，直流電壓的變化會(huì)引起工作頻率的變化，使升壓電感值的確定較為困難。因此，單級(jí)結(jié)構(gòu)的電子鎮(zhèn)流器通常采用自激式〔3〕，以保證工作頻率的穩(wěn)定，而這樣將會(huì)使控制電路復(fù)雜、成本增加。
本文介紹一種高性能低成本的兩級(jí)結(jié)構(gòu)的電子鎮(zhèn)流器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中，PFC級(jí)采用美國功率集成公司（Power Integrations Inc．）推出的TOPswitch三端功率集成開關(guān)和較少的外圍器件構(gòu)成。高頻逆變部分采用自激式半橋結(jié)構(gòu)將直流電逆變?yōu)闊?a href="http://m.xsypw.cn/v/tag/1722/" target="_blank">網(wǎng)絡(luò)所需的高頻交流電。本設(shè)計(jì)不需要額外的控制芯片和控制電源，結(jié)構(gòu)簡單、成本較低。
2 系統(tǒng)組成和工作原理分析
?? 本文設(shè)計(jì)的電子鎮(zhèn)流器照明系統(tǒng)包括具有功率因數(shù)校正功能的AC／DC整流級(jí)和自激式高頻逆變級(jí)兩大部分。下面分別介紹各部分的組成和工作原理。
2．1 功率因數(shù)校正
TOPswitch是一種三端離線式脈寬調(diào)制（PWM）開關(guān)，它將功率MOSFET、脈寬調(diào)制器、高壓啟動(dòng)偏置電路、帶隙基準(zhǔn)、環(huán)路補(bǔ)償?shù)牟⒙?lián)調(diào)節(jié)器／誤差放大器和故障保護(hù)電路等功能全部集成到一個(gè)芯片中。
由于TOPswitch的開關(guān)占空比和控制端的輸入電流呈嚴(yán)格的線性關(guān)系，因此用來設(shè)計(jì)PFC電路非常方便。圖2所示是使用TOPswitch設(shè)計(jì)的Boost PFC電路原理圖。
圖中，C1、C2、L1和C3構(gòu)成EMI濾波器，把電感L2上的高頻電流進(jìn)行平均，以獲得平滑的正弦輸入電流波形。D1～D4構(gòu)成全橋整流器。Boost級(jí)由L2、D5、C6和TOPswitch構(gòu)成。二極管D6用于阻斷TOPswitch寄生二極管以防止由于boost二極管D5反向恢復(fù)尖峰電流引起的振蕩。電阻R1的作用是產(chǎn)生與輸入電壓成正比的補(bǔ)償電流，改變占空比的大小，以提高功率因數(shù)，減小THD。電容C4用于濾除高頻紋波，而對(duì)補(bǔ)償電流的影響不大。電阻R2解除補(bǔ)償電流和C間的耦合作用，避免THD的增加。
器件參數(shù)如圖2所示。輸入電壓為220V AC，輸出電壓為400VDC。該電路在電網(wǎng)電壓＋15％波動(dòng)范圍內(nèi)，能夠保證輸出電壓穩(wěn)定在400V，紋波電壓不大于5V。
2．2 自激式半橋逆變電路
用于電子鎮(zhèn)流器的自激式半橋逆變電路，由于不用任何控制集成電路和控制電源，只增加很少的無源器件，使電路結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。電路原理圖如圖3所示。
2．2．1 電路組成
圖3中，C1、C2和S1、S2構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)半橋電路。Lr、Cr為諧振電感和諧振電容，與熒光燈構(gòu)成并聯(lián)負(fù)載諧振電路。R3、Cst和Dac組成啟動(dòng)電路。CT是電流互感器，其一次繞組與諧振回路串聯(lián)，兩個(gè)二次繞組分別與R5、Z1、Z2和R6、Z3、Z4組成S1、S2的驅(qū)動(dòng)電路。D1、D2是S1、S2的寄生二極管。C3、C4分別是S1、S2的并聯(lián)電容，以實(shí)現(xiàn)S1、S2的零電壓開關(guān)。
2．2．2 工作過程分析
如圖3所示，當(dāng)電路上電后，直流母線電壓VB很快達(dá)到400V，VB通過電阻R3給電容Cst充電，達(dá)到雙向觸發(fā)二極管Dac的轉(zhuǎn)折電壓（28V～36V）時(shí)，Dac導(dǎo)通，S2被同時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通，使電路開始起振工作。當(dāng)電路工作后，不希望啟動(dòng)電路再觸發(fā)，因?yàn)槿粼赟1開通時(shí)，觸發(fā)電路再觸發(fā)S2，將造成直通，損壞器件。因此，增加一個(gè)放電二極管Dst是必要的。S2開通后，電容Cst通過Dst、S2放電。雖然在S2關(guān)斷、S1開通時(shí)，Cst通過R3重新開始充電，但是其充電時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于開關(guān)周期，在達(dá)到Dac的轉(zhuǎn)折電壓前，S2又開始導(dǎo)通，使Cst放電。因此，在正常工作時(shí)，觸發(fā)電路不起作用。在電路啟動(dòng)前通過電阻R4給諧振電容充電，以便電路能夠起振工作。
電路起振后，由于燈阻抗很高，諧振回路主要由Lr、Cr和燈絲組成，燈絲電阻很小，因此諧振回路的Q值很高，使諧振電容Cr兩端產(chǎn)生足夠高的電壓加在燈的兩端，造成汞蒸汽電離，點(diǎn)亮熒光燈。幾個(gè)開關(guān)周期后，電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)。
下面分析電路振蕩后的工作原理。為簡化分析，假設(shè)：S1、S2為理想開關(guān)器件，柵極電容為零；Z1～Z4為理想齊納二極管；柵極驅(qū)動(dòng)電阻為零。
圖4給出了簡化后的等效電路和關(guān)鍵波形。電流互感器用一個(gè)電流控制電流源并聯(lián)一個(gè)激磁電感Lm等效。一個(gè)理想變壓器的兩個(gè)繞組分別與S1、S2的柵極相連。假設(shè)在t0時(shí)刻，S1關(guān)斷，S2開通，反饋電流is大于激磁電流imag，因此，流過齊納二極管的電流iz為正，在理想的齊納二極管兩端產(chǎn)生正的電壓施加在S2的柵極，而施加在S1的柵極電壓為負(fù)，S2保持導(dǎo)通，S1保持關(guān)斷。同時(shí)，激磁電感承受正的電壓，激磁電流線性增加，而反饋電流is隨著諧振電流ip的變化而變化，到t1時(shí)刻，激磁電流ima超過反饋電流is，iz變負(fù)，齊納二極管兩端電壓變負(fù)，因此S2關(guān)斷，S1開通，下半個(gè)開關(guān)周期開始。這樣可以保證電路持續(xù)振蕩工作。由圖4可知，逆變輸出電壓超前于諧振電流，這樣在電容C3、C4的作用下，可以使S1和S2工作于零電壓開關(guān)狀態(tài)，以減小開關(guān)損耗和電磁干擾。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)以上分析制成一個(gè)電子鎮(zhèn)流器，電路參數(shù)如下：
??? MOSFETs：K1117×2；
電流互感器：采用PC40Φ16磁環(huán)，Np：Ns1：Ns2＝1：60：60；
??? 雙向觸發(fā)二極管Dac：DB3；二極管Dst：BYV26C；
??? 熒光燈：YZ40RRT9；
??? 其它參數(shù)如圖2、圖3中所示。
??? 在實(shí)際電路中，用圖3中的電容C1、C2串聯(lián)取代圖2中的電容CB。圖5給出了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)波形。圖5a是交流輸入電壓、電流波形，可見輸入電流接近正弦。圖5b是開關(guān)S2的柵極電壓、漏源電壓和漏極電流波形，明顯可見，關(guān)斷時(shí)漏極電壓緩慢上升，為零電壓關(guān)斷，開通時(shí)，漏極電壓先降到零，然后觸發(fā)其開通，為零電壓開通。因此開關(guān)損耗較小。圖5c是熒光燈兩端電壓和流過熒光燈的電流波形。整個(gè)電路的功率因數(shù)為0．98，總諧波畸變率為8％，效率達(dá)到85％。
4 結(jié)束語
本文設(shè)計(jì)的兩級(jí)自激式電子鎮(zhèn)流器，不用任何控制集成電路和控制電源，具有結(jié)構(gòu)簡單，器件少，成本低，功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，并且直流電壓穩(wěn)定，不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，使諧振參數(shù)容易設(shè)計(jì)，保證了熒光燈工作在穩(wěn)定工作點(diǎn)。如果加上預(yù)熱電路，將是一種較為理想的高性能電子鎮(zhèn)流器拓?fù)洌哂泻芨叩膽?yīng)用價(jià)值。
2 J．Ribas etc．Low－CostHigh－Power－FactorElectronicBallastBasedontheSelf－Oscillating Buck－BoostInverter．IEEE APEC，2000：597－602
3 F．F．Tao and F．C．Lee．An Interleaved Single－StagePower－Factor－Correction Elect ronic Ballast．IEEE APEC，2000：167～623
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論