有源高功率因數(shù)預(yù)熱啟動(dòng)電子鎮(zhèn)流器

王冬梅 張偉

　　熒光燈交流電子鎮(zhèn)流器在我國(guó)已有15年的發(fā)展歷史。迄今為止，除出口產(chǎn)品外，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上很難發(fā)現(xiàn)符合GB15143和GB/T15144(或IEC928/929)標(biāo)準(zhǔn)要求的40W及40W以上熒光燈及高強(qiáng)度放電(HID)燈所配用的電子鎮(zhèn)流器。這并非是技術(shù)方面的原因，而是國(guó)內(nèi)一般消費(fèi)水平和產(chǎn)品價(jià)位問(wèn)題。具體地說(shuō)，符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求的40W及40W雙管熒光燈電子鎮(zhèn)流器，出口價(jià)格一般在10～15美元，而采用簡(jiǎn)單電路的未能達(dá)標(biāo)的電子鎮(zhèn)流器，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的單價(jià)約為10元人民幣。本文介紹一種單價(jià)為30元左右、消費(fèi)者能夠接受的電子鎮(zhèn)流器，電路原理圖如圖1所示。

　　圖1所示的電子鎮(zhèn)流器電路輸出功率為40W，只要改變少數(shù)元件(如LP、L1)參數(shù)，可以配接30W雙管和40W雙管熒光燈。

一、電路的組成

　　在圖1所示的電路中，VD1～VD4組成橋式整流電路。功率因數(shù)校正(PFC)控制器IC1、磁性元件T1、升壓二極管VD6和功率開關(guān)MOSFET(VT1)等，組成有源PFC升壓變換器。橋式整流電路輸出端并接的電容器C2，用作高頻噪聲濾波(如果C2采用大容量的鋁電解電容器，PFC電路的功能將會(huì)失效)。鎮(zhèn)流器控制和半橋驅(qū)動(dòng)器IR2156及VT2、VT3等，組成鎮(zhèn)流器控制及半橋逆變器電路。扼流圈L1及燈管兩端并聯(lián)的燈啟動(dòng)電容C16等，組成LC串聯(lián)諧振電路。

二、工作原理

1.有源PFC升壓變換器

　　采用橋式整流和電容濾波電路的電子鎮(zhèn)流器，由于只有在AC輸入電壓幅值大于濾波電容上的電壓時(shí)，整流二極管才處于正向偏置而導(dǎo)通，所以二極管導(dǎo)通角很小(僅約60°)，使交流輸入電流不再是正弦波，而是變成寬度為3～4ms的窄尖峰脈沖。這樣的電流波形中僅三次諧波就可達(dá)到基波的60%～80%，造成線路功率因數(shù)不足0.6。

　　在VD1～VD4與濾波電容C6之間，插入了以IC1作為控制器的有源PFC升壓變換器。保持AC輸入電壓波形的全波整流輸出脈動(dòng)電壓，通過(guò)R1與R2電阻分壓器采樣，經(jīng)IC1的③腳被內(nèi)部乘法器檢測(cè)。PFC升壓變換器在C6兩端的直流輸出電壓，經(jīng)R8、R9和R10組成的電阻分壓器取樣，輸入IC1的①腳被內(nèi)部誤差放大器檢測(cè)。通過(guò)升壓電感繞組LP的電流，被其副繞組感測(cè)，經(jīng)IC1⑤腳輸入到內(nèi)部的零電流檢測(cè)器。流過(guò)開關(guān)管VT1的電流，在R7上轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)IC1④腳輸入到內(nèi)部的電流感測(cè)比較器。IC1內(nèi)乘法器的輸出，決定IC1④腳的門限。當(dāng)IC1⑦腳上的PWM輸出驅(qū)動(dòng)VT1導(dǎo)通時(shí)，升壓二極管VD6截止，通過(guò)LP的電流全部流經(jīng)VT1。當(dāng)VT1截止時(shí)，VD6導(dǎo)通。IC1控制的結(jié)果，使整流二極管導(dǎo)通角幾乎為180°，交流輸入電流連續(xù)流動(dòng)，且時(shí)刻跟蹤交流輸入電壓瞬時(shí)變化軌跡，并與交流輸入電壓保持同相位，呈正弦波波形，將線路功率因數(shù)提高到0.99以上。與此同時(shí)，PFC升壓變換器還充當(dāng)高功率因數(shù)開關(guān)電源。交流輸入電壓在85～265V范圍變化時(shí)，總能輸出400V的穩(wěn)定電壓。

　　PFC變換器采用升壓型式，在一定的輸出功率下，可以降低輸出電流，從而可以使用小一些的磁性元件和濾波電容器。

2.鎮(zhèn)流器控制與驅(qū)動(dòng)電路

　　IC2(IR2156)通過(guò)R11和C7啟動(dòng)之后，在腳和腳上產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)輸出，推動(dòng)開關(guān)管VT2和VT3交替導(dǎo)通。半橋輸出信號(hào)經(jīng)緩沖電容器C14衰減后，通過(guò)VD9整流和C7濾波，施加到IC2的VCC腳(②腳)，為IC2提供所需要的工作電流。VCC的啟動(dòng)門限電壓是11.5V，欠電壓關(guān)閉門限電壓是9.5V。VCC內(nèi)部并聯(lián)一只齊納二極管，將VCC腳上電壓箝位在15.6V。

　　IC2被啟動(dòng)之后，開始輸出一個(gè)預(yù)熱頻率fPH對(duì)燈絲加熱。由于fPH較高，燈電路中扼流圈L1的阻抗(XL1=2πfL1)較大，不能在燈管兩端產(chǎn)生一個(gè)高電壓使燈管導(dǎo)通。預(yù)熱頻率fPH由IC2④腳外接電阻R13、⑤腳外接電阻R14和⑥腳外接電容C9的數(shù)值決定。當(dāng)R13=43kΩ、R14=68kΩ和C9=470pF時(shí)，fPH≈70kHz。IC2⑦腳外接電容C11決定預(yù)熱時(shí)間tph。當(dāng)選取C11=0.22μF時(shí)，tPh=0.5s。⑥腳外接電容C9的數(shù)值決定IC2高端(腳)和低端(腳)。驅(qū)動(dòng)輸出的死區(qū)時(shí)間tDT。當(dāng)C9=470pF時(shí)，tDT≈0.6μs。

　　預(yù)熱時(shí)間結(jié)束后，IC2輸出頻率沿向下的斜坡偏移到運(yùn)行頻率fRUN，如圖2所示。隨頻率下降，引起由L1和C16等組成的LC電路發(fā)生串連諧振，在C16兩端產(chǎn)生一個(gè)1500Vp-p的高壓脈沖將燈管引燃。一旦燈被點(diǎn)火，L1只起限流作用。運(yùn)行(點(diǎn)燃)頻率fRUN由R13和C9的數(shù)值決定。若選取R13=43kΩ，C9=470pF,根據(jù)公式fRUN=1/2·CT·(0.51·RT+1475)，fRUN≈43kHz。

　　IC2的③腳(VDC)用作檢測(cè)DC總線電壓。在DC總線電壓過(guò)低時(shí)，為防出現(xiàn)“硬開關(guān)”損壞功率MOSFET，將履行欠壓復(fù)位功能。VT3源極串聯(lián)電阻R16，作為半橋電流感測(cè)元件。只要IC2⑩腳上的電壓超過(guò)1.3V，振蕩電路將截止，IC2腳和腳上的驅(qū)動(dòng)輸出被“鎖定”在低電平上，VT2和VT3均處于關(guān)斷狀態(tài)。

　　一旦低直流總線電壓或過(guò)電流故障條件解除，IC2則會(huì)自動(dòng)重新啟動(dòng)。

三、 主要元件的選取

　　二極管VD1～VD4選用IN4007，VD6選用快速恢復(fù)二極管IN4937，VD7選用11DF4，VD5、VD8和VD9選用IN4148。VT1～VT3選用IRF830，IC1選用L6561，IC2選用IR2156。T1參數(shù)由PFC升壓變換器輸出電壓、輸出功率和AC輸入電壓等參數(shù)決定。在本電路中，T1可采用EI-25(PC30)磁芯，用φ0.45mm漆包線繞制，LP=110T,LS=7T,氣隙為1mm，初級(jí)繞組電感量是1.9mH。扼流圈L1采用EI-25(PC30)磁芯，用φ0.5mm漆包線繞制，共125T，氣隙是0.4mm，電感量為2.8mH。一旦輸出功率改變，T1、L1等元件參數(shù)應(yīng)作適當(dāng)調(diào)整。