有源高功率因数预热启动电子镇流器
王冬梅 张伟
荧光灯交流电子镇流器在我国已有15年的发展历史。迄今为止，除出口产品外，在国内市场上很难发现符合GB15143和GB/T15144(或IEC928/929)标准要求的40W及40W以上荧光灯及高强度放电(HID)灯所配用的电子镇流器。这并非是技术方面的原因，而是国内一般消费水平和产品价位问题。具体地说，符合产品标准要求的40W及40W双管荧光灯电子镇流器，出口价格一般在10～15美元，而采用简单电路的未能达标的电子镇流器，在国内市场上的单价约为10元人民币。本文介绍一种单价为30元左右、消费者能够接受的电子镇流器，电路原理图如图1所示。
图1所示的电子镇流器电路输出功率为40W，只要改变少数元件(如LP、L1)参数，可以配接30W双管和40W双管荧光灯。
一、电路的组成
在图1所示的电路中，VD1～VD4组成桥式整流电路。功率因数校正(PFC)控制器IC1、磁性元件T1、升压二极管VD6和功率开关MOSFET(VT1)等，组成有源PFC升压变换器。桥式整流电路输出端并接的电容器C2，用作高频噪声滤波(如果C2采用大容量的铝电解电容器，PFC电路的功能将会失效)。镇流器控制和半桥驱动器IR2156及VT2、VT3等，组成镇流器控制及半桥逆变器电路。扼流圈L1及灯管两端并联的灯启动电容C16等，组成LC串联谐振电路。
二、工作原理
1.有源PFC升压变换器
采用桥式整流和电容滤波电路的电子镇流器，由于只有在AC输入电压幅值大于滤波电容上的电压时，整流二极管才处于正向偏置而导通，所以二极管导通角很小(仅约60°)，使交流输入电流不再是正弦波，而是变成宽度为3～4ms的窄尖峰脉冲。这样的电流波形中仅三次谐波就可达到基波的60%～80%，造成线路功率因数不足0.6。
在VD1～VD4与滤波电容C6之间，插入了以IC1作为控制器的有源PFC升压变换器。保持AC输入电压波形的全波整流输出脉动电压，通过R1与R2电阻分压器采样，经IC1的③脚被内部乘法器检测。PFC升压变换器在C6两端的直流输出电压，经R8、R9和R10组成的电阻分压器取样，输入IC1的①脚被内部误差放大器检测。通过升压电感绕组LP的电流，被其副绕组感测，经IC1⑤脚输入到内部的零电流检测器。流过开关管VT1的电流，在R7上转换为电压信号，经IC1④脚输入到内部的电流感测比较器。IC1内乘法器的输出，决定IC1④脚的门限。当IC1⑦脚上的PWM输出驱动VT1导通时，升压二极管VD6截止，通过LP的电流全部流经VT1。当VT1截止时，VD6导通。IC1控制的结果，使整流二极管导通角几乎为180°，交流输入电流连续流动，且时刻跟踪交流输入电压瞬时变化轨迹，并与交流输入电压保持同相位，呈正弦波波形，将线路功率因数提高到0.99以上。与此同时，PFC升压变换器还充当高功率因数开关电源。交流输入电压在85～265V范围变化时，总能输出400V的稳定电压。
PFC变换器采用升压型式，在一定的输出功率下，可以降低输出电流，从而可以使用小一些的磁性元件和滤波电容器。
2.镇流器控制与驱动电路
IC2(IR2156)通过R11和C7启动之后，在脚和脚上产生驱动输出，推动开关管VT2和VT3交替导通。半桥输出信号经缓冲电容器C14衰减后，通过VD9整流和C7滤波，施加到IC2的VCC脚(②脚)，为IC2提供所需要的工作电流。VCC的启动门限电压是11.5V，欠电压关闭门限电压是9.5V。VCC内部并联一只齐纳二极管，将VCC脚上电压箝位在15.6V。
IC2被启动之后，开始输出一个预热频率fPH对灯丝加热。由于fPH较高，灯电路中扼流圈L1的阻抗(XL1=2πfL1)较大，不能在灯管两端产生一个高电压使灯管导通。预热频率fPH由IC2④脚外接电阻R13、⑤脚外接电阻R14和⑥脚外接电容C9的数值决定。当R13=43kΩ、R14=68kΩ和C9=470pF时，fPH≈70kHz。IC2⑦脚外接电容C11决定预热时间tph。当选取C11=0.22μF时，tPh=0.5s。⑥脚外接电容C9的数值决定IC2高端(脚)和低端(脚)。驱动输出的死区时间tDT。当C9=470pF时，tDT≈0.6μs。
预热时间结束后，IC2输出频率沿向下的斜坡偏移到运行频率fRUN，如图2所示。随频率下降，引起由L1和C16等组成的LC电路发生串连谐振，在C16两端产生一个1500Vp-p的高压脉冲将灯管引燃。一旦灯被点火，L1只起限流作用。运行(点燃)频率fRUN由R13和C9的数值决定。若选取R13=43kΩ，C9=470pF,根据公式fRUN=1/2·CT·(0.51·RT+1475)，fRUN≈43kHz。
IC2的③脚(VDC)用作检测DC总线电压。在DC总线电压过低时，为防出现“硬开关”损坏功率MOSFET，将履行欠压复位功能。VT3源极串联电阻R16，作为半桥电流感测元件。只要IC2⑩脚上的电压超过1.3V，振荡电路将截止，IC2脚和脚上的驱动输出被“锁定”在低电平上，VT2和VT3均处于关断状态。
一旦低直流总线电压或过电流故障条件解除，IC2则会自动重新启动。
三、 主要元件的选取
二极管VD1～VD4选用IN4007，VD6选用快速恢复二极管IN4937，VD7选用11DF4，VD5、VD8和VD9选用IN4148。VT1～VT3选用IRF830，IC1选用L6561，IC2选用IR2156。T1参数由PFC升压变换器输出电压、输出功率和AC输入电压等参数决定。在本电路中，T1可采用EI-25(PC30)磁芯，用φ0.45mm漆包线绕制，LP=110T,LS=7T,气隙为1mm，初级绕组电感量是1.9mH。扼流圈L1采用EI-25(PC30)磁芯，用φ0.5mm漆包线绕制，共125T，气隙是0.4mm，电感量为2.8mH。一旦输出功率改变，T1、L1等元件参数应作适当调整。