一种低成本高性能电子镇流器的设计

来源:燕山大学电气工程学院(河北秦皇 作者:赵清林2009年05月10日 20:04
[导读] 【摘 要】 介绍了一种经实验验证为可行的两级结构的电子镇流器,该电子镇流器由TOPswitch构成的PFC级和自激式半桥逆变电路组成。 
关键词:镇流
【摘 要】 介绍了一种经实验验证为可行的两级结构的电子镇流器,该电子镇流器由TOPswitch构成的PFC级和自激式半桥逆变电路组成。
     关键词:电子镇流器,功率因数校正,谐振

1 引 言
  传统的电感式镇流器具有效率低、重量大、闪烁严重、噪音大、功率因数低等缺点,不能满足人们对照明质量的要求。而用于荧光灯的高频电子镇流器具有重量轻、光效高、无闪烁、无噪音、寿命长的优点,被广泛用于照明系统中〔1〕。
  单级PFC电子镇流器由于使用器件少、成本低〔2〕,而成为人们研究的热点。但是,单级结构中的PFC整流部分和逆变部分通常共用一个开关,使两者之间有一定的耦合关系,给一些参数的计算带来不便。而且这种结构下,直流母线电压随着电网电压的波动而波动,这会造成荧光灯工作点的变化,严重时可能使荧光灯无法正常工作。在单级自激式电子镇流器中,直流电压的变化会引起工作频率的变化,使升压电感值的确定较为困难。因此,单级结构的电子镇流器通常采用自激式〔3〕,以保证工作频率的稳定,而这样将会使控制电路复杂、成本增加。
  本文介绍一种高性能低成本的两级结构的电子镇流器,其结构框图如图1所示。其中,PFC级采用美国功率集成公司(Power Integrations Inc.)推出的TOPswitch三端功率集成开关和较少的外围器件构成。高频逆变部分采用自激式半桥结构将直流电逆变为灯网络所需的高频交流电。本设计不需要额外的控制芯片和控制电源,结构简单、成本较低。
2 系统组成和工作原理分析
   本文设计的电子镇流器照明系统包括具有功率因数校正功能的AC/DC整流级和自激式高频逆变级两大部分。下面分别介绍各部分的组成和工作原理。
2.1 功率因数校正
  TOPswitch是一种三端离线式脉宽调制(PWM)开关,它将功率MOSFET、脉宽调制器、高压启动偏置电路、带隙基准、环路补偿的并联调节器/误差放大器和故障保护电路等功能全部集成到一个芯片中。
  由于TOPswitch的开关占空比和控制端的输入电流呈严格的线性关系,因此用来设计PFC电路非常方便。图2所示是使用TOPswitch设计的Boost PFC电路原理图。
 

  图中,C1、C2、L1和C3构成EMI滤波器,把电感L2上的高频电流进行平均,以获得平滑的正弦输入电流波形。D1~D4构成全桥整流器。Boost级由L2、D5、C6和TOPswitch构成。二极管D6用于阻断TOPswitch寄生二极管以防止由于boost二极管D5反向恢复尖峰电流引起的振荡。电阻R1的作用是产生与输入电压成正比的补偿电流,改变占空比的大小,以提高功率因数,减小THD。电容C4用于滤除高频纹波,而对补偿电流的影响不大。电阻R2解除补偿电流和C间的耦合作用,避免THD的增加。

  器件参数如图2所示。输入电压为220V AC,输出电压为400VDC。该电路在电网电压+15%波动范围内,能够保证输出电压稳定在400V,纹波电压不大于5V。
2.2 自激式半桥逆变电路
  用于电子镇流器的自激式半桥逆变电路,由于不用任何控制集成电路和控制电源,只增加很少的无源器件,使电路结构简单,成本较低。电路原理图如图3所示。
2.2.1 电路组成
  图3中,C1、C2和S1、S2构成标准半桥电路。Lr、Cr为谐振电感和谐振电容,与荧光灯构成并联负载谐振电路。R3、Cst和Dac组成启动电路。CT是电流互感器,其一次绕组与谐振回路串联,两个二次绕组分别与R5、Z1、Z2和R6、Z3、Z4组成S1、S2的驱动电路。D1、D2是S1、S2的寄生二极管。C3、C4分别是S1、S2的并联电容,以实现S1、S2的零电压开关。
2.2.2 工作过程分析
  如图3所示,当电路上电后,直流母线电压VB很快达到400V,VB通过电阻R3给电容Cst充电,达到双向触发二极管Dac的转折电压(28V~36V)时,Dac导通,S2被同时触发导通,使电路开始起振工作。当电路工作后,不希望启动电路再触发,因为若在S1开通时,触发电路再触发S2,将造成直通,损坏器件。因此,增加一个放电二极管Dst是必要的。S2开通后,电容Cst通过Dst、S2放电。虽然在S2关断、S1开通时,Cst通过R3重新开始充电,但是其充电时间常数远小于开关周期,在达到Dac的转折电压前,S2又开始导通,使Cst放电。因此,在正常工作时,触发电路不起作用。在电路启动前通过电阻R4给谐振电容充电,以便电路能够起振工作。
  电路起振后,由于灯阻抗很高,谐振回路主要由Lr、Cr和灯丝组成,灯丝电阻很小,因此谐振回路的Q值很高,使谐振电容Cr两端产生足够高的电压加在灯的两端,造成汞蒸汽电离,点亮荧光灯。几个开关周期后,电路达到稳态。
  下面分析电路振荡后的工作原理。为简化分析,假设:S1、S2为理想开关器件,栅极电容为零;Z1~Z4为理想齐纳二极管;栅极驱动电阻为零。




  图4给出了简化后的等效电路和关键波形。电流互感器用一个电流控制电流源并联一个激磁电感Lm等效。一个理想变压器的两个绕组分别与S1、S2的栅极相连。假设在t0时刻,S1关断,S2开通,反馈电流is大于激磁电流imag,因此,流过齐纳二极管的电流iz为正,在理想的齐纳二极管两端产生正的电压施加在S2的栅极,而施加在S1的栅极电压为负,S2保持导通,S1保持关断。同时,激磁电感承受正的电压,激磁电流线性增加,而反馈电流is随着谐振电流ip的变化而变化,到t1时刻,激磁电流ima超过反馈电流is,iz变负,齐纳二极管两端电压变负,因此S2关断,S1开通,下半个开关周期开始。这样可以保证电路持续振荡工作。由图4可知,逆变输出电压超前于谐振电流,这样在电容C3、C4的作用下,可以使S1和S2工作于零电压开关状态,以减小开关损耗和电磁干扰。




3 实验结果
  根据以上分析制成一个电子镇流器,电路参数如下:
    MOSFETs:K1117×2;
  电流互感器:采用PC40Φ16磁环,Np:Ns1:Ns2=1:60:60;
    双向触发二极管Dac:DB3;二极管Dst:BYV26C;
    荧光灯:YZ40RRT9;
    其它参数如图2、图3中所示。
    在实际电路中,用图3中的电容C1、C2串联取代图2中的电容CB。图5给出了相关的实验波形。图5a是交流输入电压、电流波形,可见输入电流接近正弦。图5b是开关S2的栅极电压、漏源电压和漏极电流波形,明显可见,关断时漏极电压缓慢上升,为零电压关断,开通时,漏极电压先降到零,然后触发其开通,为零电压开通。因此开关损耗较小。图5c是荧光灯两端电压和流过荧光灯的电流波形。整个电路的功率因数为0.98,总谐波畸变率为8%,效率达到85%。
4 结束语
  本文设计的两级自激式电子镇流器,不用任何控制集成电路和控制电源,具有结构简单,器件少,成本低,功率因数高等优点,并且直流电压稳定,不受电网电压波动的影响,使谐振参数容易设计,保证了荧光灯工作在稳定工作点。如果加上预热电路,将是一种较为理想的高性能电子镇流器拓扑,具有很高的应用价值。

  参考文献
1 F.F.Tao,Q.Zhao and F.C.Lee.Self-OscillatingElectronic Ballastwith Dimming Control.IEEEPEFC,2001:1818-1823
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

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