临界断续模式PFC在电子镇流器中的应用

临界断续模式PFC在电子镇流器中的应用

摘要：介绍了一种临界断续导电模式的功率因数校正（PFC）技术，它应用Boost型电路，主要特点是通过控制固定开关的导通时间，使电感电流呈临界断续的三角波变化，其平均值随正弦波变化，这种功率因数校正技术可以使电路的功率因数达到0.99以上，用在电子镇流器中可以提高电子镇流器的性能。

关键词：临界导通；功率因数校正；电子镇流器

1    引言

    随着高频开关电源的发展，电子镇流器以其效率高，无频闪，体积小等优点，获得了广泛的认同。它将取代传统的铁心式电感镇流器,成为与荧光灯配用的新型镇流器件。据统计，照明用电约占人类总发电量的20％，电子镇流器的推广使用，将可以使照明用电节约20％以上，因此，高性能电子镇流器的研究和生产受到了国内外的广泛重视。

    就高性能电子镇流器而言，最为关键的技术指标是它的电源进线电流的总谐波含量大小及线路功率因数的高低。如果电子镇流器电源进线电流的谐波含量大，就会给电网带来污染，至于电子镇流器的线路功率因数的高低也会直接关系到电网的利用效率。为了减少对交流电网的污染，目前国内外已经推出了一些限制电流谐波的标准，如国际电工委员会(IEC)根据国际上电子镇流器的发展情况，几年前成立了专门的技术小组对有关技术问题和标准进行了研究，并已颁布了相应的标准IEC1000-3-2 Class C。在IEC对AC/DC电源规定的IEC1000-3-2四类谐波标准（ClassA，B，C，D）中，对照明用的电子镇流器的要求是最为严格的，因此提高线路的功率因数是做好高性能电子镇流器的关键之一。

2    几种工作模式的比较

    有源功率因数校正（APFC）是抑制电力电子装置对电网谐波污染的最有效的措施，根据电感电流是否连续，APFC电路的工作模式分为连续导电模式（CCM）、断续导电模式（DCM）和介于两者之间的临界断续导电模式（DCM boundary）。

    在CCM工作模式下，输入电流及输出电压纹波都比较小，但控制较复杂，开关损耗较大，制作成本也比较高。这种导电模式一般适用于大功率、大电流的产品中，对于普通的荧光灯电子镇流器显然是不合适的。

    DCM技术有很明显的缺点，输入电流纹波比较 大 ， 因 而 开 关 的 损 耗 很 大 ， 使 开 关 的 使 用 寿 命 降 低 ； 输 出 电 压 的 纹 波 也 比 较 大 ， 对 负 载 有 一 定 的 影 响 。 因 此 它 一 般 只 适 合 对 功 率 因 数 要 求 不 高 、 功 率 较 小 的 场 合 。

    在临界断续导电模式（DCMBoundary）下如图1所示，通过加入相应的控制电路，使得输入电流的峰值随正弦波值的变化而变化，其功率因数可以非常高，达到95％是很容易的。与前两者相比，临界断续导电模式也有其自身的特点：与CCM技术相比，它的输入电流，输出电压的纹波比较大，因而对开关的冲击较大，同时开关的导通损耗也比较大，但它的电路结构比较简单，比较容易控制，成本也比较低；与DCM技术相比，它的输入电流，输出电压的纹波比较小，功率因数也比较高，但电路结构要复杂些，控制也相对较复杂，成本比较高。

图 1    临 界 导 通 模 式 下 电 感 电 压 和 电 流 波 形

    根据实际情况，本文采用临界导通模式设计电子镇流器的功率因数校正电路。

3    临界导通模式功率因数校正的基本原理

    临界导通模式是一种固定导通时间的功率因数校正模式，本文采用Boost型拓扑实现这种电路，基本原理如图2所示。它的主要特点是：固定导通时间控制方法，会使峰值电感电流包络线跟随AC输入电压v_in的变化轨迹，根据几何学上的关系，平均输入电流I_in等于峰值三角形电感电流的一半。随着前一个周期的结束，ZCS迫使一个新周期的开始。由于电感电流回落到零后没有死区时间存在，因而导致输入电流i_in连续流动，并按正弦规律跟踪AC输入电压v_in的瞬时变化轨迹，从而使线路功率因数趋于1。

图 2    Boost型 电 路 基 本 原 理 图

    流过L的电流即桥式整流器的输出电流，实际上也代表桥式整流器的输入电流i_in。图1为电感L电流i_L(t)波形示意图。由图1可知，电感电流成三角波。在开关开通期间，电感电流从0沿向上的斜坡增加到峰值；在开关关断期间，电感电流从峰值沿斜坡下降到0。只要电感电流一跌落到0，下一个开关周期就开始。电感峰值电流I_LP总是为平均输入电流的2倍。

    显而易见，式（1）的关系成立

    I_inP=    （1）

式中：I_inP为交流输入电流峰值；

      I_LP为在AC输入电压上的电感峰值电流。

    最大峰值交流输入电流I_inPmax由式（2）决定

    I_inPmax=    （2）

式中：P_o为APFC预调整器输出功率（W）；

            η为变换器效率；

      V_acL为最低交流输入电压有效值（V）。

    变换器的电感量可用式（3）近似确定

    L=    （3）

式中：T_s=1/f_s，开关的工作周期（s），取中值；

      V_o为APFC预调整器输出电压（V）。

4    设计实例以及实验结果

    根据以上分析，设计输出功率为72W的电子镇流器。由于用专用芯片——有源功率因数校正控制器构成的功率因数校正电路结构简单，外围电路元器件少，这就大大缩小了电路的体积，降低了系统的成本，提高了系统的可靠性。因此，控制器采用ST公司最新的APFC芯片L6561，它包含许多高性能的控制模块和保护特性，采用电流、电压双环结构，实现电路的临界断续导电模式。其工作原理框图如图3所示。

图3    用L6561实 现PFC的 原 理 框 图

    该电路的参数为：额定输出功率P_o=72W，交流输入电压U_in=90～265V，频率f=50Hz，输出电压U_o=400V，开关频率f_s=20～50kHz。

    电子镇流器的第二级采用半桥式电路，用普通的并联谐振电路作为荧光灯的启动及工作电路。整个电路系统结构如图4所示。

图4    电 子 镇 流 器 电 路 结 构

    通过对参数的合理设计，实验所得主要波形如图5－图7所示。

图5    输 入 电 压 、 电 流 波 形(V:100V/div,I:1 A/div)

图6    电 感 电 流 波 形(I:0.5 A/div)

图7    荧 光 灯 灯 电 流 波 形(I:0.4 A/div)

    由图5可以看到该电路对电网的谐波污染可基本忽略，功率因数已达到0.99以上。

    由图6可以看到电感电流波形的包络线是理想的正弦半波，充分体现了临界断续导电模式的特点。

    图7为荧光灯电流波形，在高频下，荧光灯可近似为一电阻，因此在谐振电路中的电流近似正弦波。

5    结语

    以L6561为核心的功率因数校正器，通过合理的参数设计，可使功率因数达到0.99以上，效率可达92％。把这种技术用于电子镇流器装置中，可以大大减小对电网的污染，提高电源效率。随着电力电子技术的发展，这一应用必将得到推广。