电子镇流器功率因素校正电路APFC的分析

电子镇流器功率因素校正电路APFC的分析

摘要  针对荧光灯电子镇流器和高压钠灯电子镇流器中功率因数校正技术的发展，总结了典型的有源功率因数校正应用电路，分析了电路的基本工作原理，并在高压钠灯镇流器中得到了应用。
关键词 电子镇流器   功率因数  校正APFC

The Active Power Factor Correction Applicationin Ballast

Cheng Weibin

(Xi＇an petroleumInstitute，Xi＇an，710065）

　　Abstract Withthetechnicaldevelopmentofactive powerfactorcorrection，somecircuitsintheballastsandits operation areintroduced，which have been usedin high pressure sodiumlamp．
Key words ballast；powerfactorcorrection；APFC
1引言 
　　在供电线路中，用电设备的低功率因数而引起较大的电网谐波和波形畸变，对电网和其他用电设备危害很大，随着对供电质量要求的提高和集成电路技术的发展，功率因数校正技术（简称PFC技术）得到广泛的应用。PFC技术分为无源PFC技术和有源PFC技术。
2 无源PFC电路  
　　无源PFC电路可分为无源谐波滤波逐流电路和高频能量反馈式无源谐波滤波电路。
    无源谐波滤波逐流电路如图1所示，其工作原理基于降低输出直流电压，在每一个半周期内，将交流输入电压高于直流输出电压的时间拉长，整流二极管的导通角就可以增大，电源电压过零的死区时间则缩短，其电流波形趋于连续，包络线趋于正弦波，这样交流输入电流追逐电源电压瞬时变化轨迹，可将电路的功率因数提高到0．9以上，电源总谐波失真度THD降低到30％以下。

　　高频能量反馈式无源谐波滤波电路利用开关电源或电子镇流器中的高频振荡能量控制电容充电过程，可使功率因数提高到0．95，将THD降低到20％。

　　无源PFC技术电路简单，提高了功率因数，但THD仍大于15％，波峰比也较大。随着集成芯片和有源PFC技术的发展，无源PFC电路在国外已被有源PFC电路替代。

　

3  有源PFC电路

　　有源功率因数校正PFC电路主要有升压型、降压型、升压－－降压型和回扫型等
基本电路形式，其中升压型有源PFC电路在一定输出功率下可减小输出电流，减小输
出滤波电容的容值和体积，故在电子镇流器中广泛应用。升压型有源PFC电路在控制方法上，有电感电流断续传导模式和峰值电流控制模式。其电路原理图如图2所示。

电路工作原理如下：Q1导通时，D5截止，电容C1向负载放电；Q1截止，电感L1储能经D5对电容C1充电。由于Q1和D5交替导通，使整流器输出电流经电感L1连续。这样输入电流也连续。图中，R1取样输入电压，保证通过电感L1的电流跟随输入电压按正弦规律变化，通过L1的高频电流包络正比于输入电压，其平均电流呈正弦波形，使输入电流呈正弦波；R2取样输出电压，控制APFC控制器的输出
占空比，稳定输出电压。

　　目前，APFC专用芯片很多，在电子镇流器中应用广泛，具体电路不做详细介绍，可参阅参考文献。

4  利用自振荡半桥PWM驱动器设计的APFC电路
   在某些自振荡半桥PWM驱动器电路中，可以利用PWM驱动器输出固定频率的
脉冲来作APFC控制，这里介绍两种典型电路。

4．1利用自振荡输出波形控制的APFC电路

   电路原理图如图3所示。

　

　

      升压电感L1、二极管D5、电容C2和开关管Q3等组成APFC电路。由于PWM驱动器U1输出脉冲的频率和占空比都是固定的，Q3导通时，D5截止，C2向负载放电；Q3截止时，电感L1产生的突变电势使D5正向偏置而导通，电感L1通过D5向C2和负载释放储能，此时整流二极管电流经电感L1连续，使输入电流波形连续，呈正弦波形，可将线路功率因数提高到0．95以上，使输入电流总谐波失真度（THD）降低到10％以下。

4．2  利用自振荡PWM驱动器的定时电路

　

　　图3利用自振荡PWM驱动器输出波形控制的APFC原理电路图图4利用自振荡PWM驱动器的定时器设计的APFC原理电路图和波形图设计的APFC电路自振荡半桥PWM驱动器的振荡器是一个类似555的定时振荡器，CT端为锯齿波，可以用一电路产生同频、占空比可调的APFC电路。其原理电路如图4所示。

　

　

　　自振荡PWM驱动器的CT端波形为锯齿波，送到比较器U2的正端；将直流输出
电压分压送到比较器U2的负端。当C点的电压小于D点时，E点为高电平，Q4导通；
当B点为高电平时，F点为高电平，Q3导通，电感L1储能，电容C2向后级供电。当C
点电压高于D点时，E点为低点平，不论F点电平状态，Q4截止，Q3截止，电感L1经
D5向C2和后级释放储能。这样二极管电流经电感L1连续，各点相关波形如图4（B）所示。
    从波形上可以看出F点波形脉冲宽度小于A或B，而且可调，但小于50％；通过
调整R1、R2的分压比，可调整输出电压和输出功率，构成可调输出电路，这在开关电源和电子镇流器中有较广泛的应用。

5  利用TOPSwitch开关构成的APFC电路
　　TOPSwitch是一种离线式PWM开关，其内部集PWM控制器和MOSFET开关管为
一体。由其构成的APFC电路如图5所示。

　　在图5中，控制器U1、电感L1、二极管D5、D6和电容C1构成APFC电路，当控制
器U1的C端（控制端）达到设定电压时，U1被启动。电阻R1取样输入瞬时电压，电阻
R2取样输出电压，U1的控制端输入电流影响输出占空比，其占空比与输入电流成反
比，随输入电压线性变化。通过U1的调整，输入平均电流呈正弦波形，且与输入电压保持同相位，是一种固定频率电流断续模式的APFC电路。可将线路功率因数提高到0．98左右。

    此外，还可利用紧凑型自振荡半桥PWM驱动器（如IR51HXX系列）构成类似图
4和图5的APFC电路。紧凑型自振荡半桥PWM驱动器是集紧凑型自振荡PWM电路
和两只MOSFET管于一身，具有电路简单、紧凑的特点，只适合于节能灯和小型开关电源电路。

6  结束语
    有源功率因数校正技术应用在高压钠灯电子镇流器上，使其输入侧的功率因数提
高到0．99以上，将总谐波失真度降低到10％以下，反馈到电网的谐波大为减少，起
到了节约能源、降低消耗和减少电网污染的作用。