高功率因數(shù)熒光燈電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)

1、應(yīng)用設(shè)計(jì)四、 高功率因數(shù)熒光燈電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)PWM型AC/DC和DC/AC變換電路綜合應(yīng)用專題照明技術(shù)與我們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)，在工廠、辦公室、圖書館、餐廳、學(xué)校、商店等場所，照明技術(shù)為我們提供了宜人的工作、生活環(huán)境。在現(xiàn)代照明技術(shù)中，電子鎮(zhèn)流器由于其效率高、無頻閃、無噪聲、體積小等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，此外，電子鎮(zhèn)流器還能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)光，功率因數(shù)校正、同時(shí)驅(qū)動(dòng)多支燈管等功能。照明系統(tǒng)依賴于鎮(zhèn)流器與燈源的協(xié)同工作，了解燈源的工作特性是設(shè)計(jì)電子鎮(zhèn)流器的前提。一、熒光燈的結(jié)構(gòu)和工作特性1、熒光燈的結(jié)構(gòu)組成家庭及工業(yè)照明用熒光燈（俗稱日光燈）是一種低壓汞蒸汽放電燈，其大部分光是由放電產(chǎn)生的紫外線激發(fā)管壁上的

2、熒光粉涂層而發(fā)射出來的。附圖5-1是直管形熒光燈結(jié)構(gòu)示意圖。熒光燈的核心部分是管形玻璃管和燈絲，其中，玻璃電極附圖5-1 直型熒光燈管的結(jié)構(gòu)示意圖管的內(nèi)壁上涂有熒光粉。管內(nèi)填充有惰性氣體（如氬）和低氣壓汞蒸汽。在燈兩端各有一個(gè)電極，電極通常由鎢螺旋做成，上面涂有熱電子發(fā)射材料，人們將這種涂有電子發(fā)射材料的燈絲稱為陰極。燈絲兩端與被稱為導(dǎo)絲的支架相連接，導(dǎo)絲又與兩個(gè)引出電極相連。導(dǎo)絲和喇叭管等組成芯柱，其作用是保證電導(dǎo)線與玻璃殼進(jìn)行氣密性封接。熒光燈工作時(shí)，放電發(fā)生在低氣壓的汞蒸汽和惰性氣體的混合氣中，產(chǎn)生很強(qiáng)的253.7nm的紫外輻射，經(jīng)熒光粉轉(zhuǎn)換成可見光。2、熒光燈的主要特性與其它一些氣體放

3、電燈一樣，熒光燈具有負(fù)阻抗特性，典型的熒光燈電壓電流（V-I）特性曲線如附圖5-2所示。當(dāng)施加于熒光燈兩端的電壓低于觸發(fā)啟動(dòng)電壓（Ustrike）時(shí)，燈呈高阻關(guān)斷狀態(tài)，燈中沒有電流通過，一旦外加電壓達(dá)到了燈的點(diǎn)火電壓值，燈則導(dǎo)通，并且其兩端電壓立即降低，燈電流增大，呈現(xiàn)負(fù)阻特性。由于外接鎮(zhèn)流器的限流作用，使燈電流穩(wěn)定在額定值，并且燈兩端的導(dǎo)通電壓降（Uon）也基本保持不變。熒光燈的觸發(fā)啟動(dòng)電壓和正常工作時(shí)燈兩端的電壓降與燈管長度、燈管直徑、燈管內(nèi)填充氣體的種類、氣壓、溫度以及電極種類（是冷陰極還是熱陰極）等因素有關(guān)。熒光燈點(diǎn)火啟動(dòng)電壓范圍一般為500V1200V，燈點(diǎn)燃后穩(wěn)定工作時(shí)的燈端的電壓

4、降一般為40V110V。附圖5-2 熒光燈電壓電流特性曲線 附圖5-3 熒光燈電壓（或阻抗）曲線附圖5-3是熒光燈從啟動(dòng)后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的電壓（或阻抗）曲線。從圖中可以看出，燈在啟動(dòng)點(diǎn)火時(shí)的電壓（或阻抗）很高，在點(diǎn)火之后，燈兩端的電壓急劇下降，爾后略有升高，最后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)，在這一過程中，阻抗曲線與電壓曲線是一致的。熒光燈在穩(wěn)態(tài)條件下，可以等效為一個(gè)恒定不變的電阻。3、熒光燈工作頻率對光效的影響電感式熒光燈一般工作在工頻50 Hz或60Hz，當(dāng)熒光燈工作的頻率從50Hz增加到15kHz時(shí)，發(fā)現(xiàn)燈的光效也逐漸增加，然后基本保持不變。所以對普通熒光燈而言，考慮到材料、元件等成本方面的因素，工作

5、頻率以2050kHz為好，這也是目前熒光燈電子鎮(zhèn)流器的工作頻率范圍。在對熒光燈的研究中，當(dāng)熒光燈高頻工作時(shí)，燈的特性有以下變化特點(diǎn)：（1）當(dāng)工作頻率升高時(shí)，燈的特性逐漸變成電阻性的，燈的電壓和電流波形都接近正弦波；（2）在工作頻率大于15kHz后，燈的光效比50（60）Hz時(shí)明顯提高。二、熒光燈電子鎮(zhèn)流器的電路結(jié)構(gòu)典型的熒光燈電子鎮(zhèn)流器通常包括整流電路和逆變電路兩大部分。簡易的電子鎮(zhèn)流器一般直接采用電容濾波單相橋式不控整流電路作為輸入部分，而高性能的電子鎮(zhèn)流器一般采用單相PFC電路（PWM型AC/DC變換）作為輸入部分；逆變部分多用半橋電路，逆變電路的輸出接燈電路網(wǎng)絡(luò)。燈電路網(wǎng)絡(luò)的作用是提供燈

6、啟動(dòng)的高壓、維持點(diǎn)燃后的燈電流在合適的范圍。附圖54示出了典型高性能電子鎮(zhèn)流器的結(jié)構(gòu)框圖。三、高性能熒光燈電子鎮(zhèn)流器電路設(shè)計(jì)根據(jù)前面的介紹，高性能電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)包含了單相PFC電路設(shè)計(jì)和逆變電路設(shè)計(jì)兩大部分工作。無論是單相PFC電路還是逆變電路都有許多種電路設(shè)計(jì)方案，附圖55給出了以MC33262和IR21531芯片為核心的一種設(shè)計(jì)方案，下面以該方案為例介紹電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)方法。1、單相APFC電路的設(shè)計(jì)單相PFC電路有很多專用的控制芯片，如UC3854/3858、IR1150、MC33262/34262、L6561等。不同芯片的控制原理、設(shè)計(jì)要求各不相同，本節(jié)以MC33262/34262為

7、例介紹單相PFC電路的設(shè)計(jì)，其他電路的應(yīng)用設(shè)計(jì)可以參考相關(guān)的資料。MC33262系列PFC控制芯片為8腳雙列直插塑封（亦有表面貼裝封裝）器件，內(nèi)部含有自起動(dòng)定時(shí)器、乘法器、零電流檢測器、圖騰柱驅(qū)動(dòng)輸出（0.5A）以及過壓、欠壓和過流等保護(hù)電路，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡要框圖見附圖5-6。MC33262系列PFC控制芯片的最大特點(diǎn)是采用臨界導(dǎo)電控制模式，這種控制模式的特點(diǎn)是儲能電感中的電流為零時(shí)功率管才能導(dǎo)通，這樣就大大減小了開關(guān)的應(yīng)力，同時(shí)也減小了二極管恢復(fù)時(shí)間引起的開關(guān)損耗，對二極管的恢復(fù)時(shí)間要求也較低，選附圖 5-6 MC33262內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡要框圖用普通的快恢復(fù)二極管即可滿足要求；另外，由MC34262

8、構(gòu)成的功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)簡單、外圍電路元器件少，縮小了電路的體積并降低成本，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性。參考附圖5-5 的結(jié)構(gòu)，APFC部分電路設(shè)計(jì)如下：（1）進(jìn)線濾波電路該部分電路的功能主要是抑制電力電子開關(guān)電路的高頻共模、差模干擾（又稱EMI濾波器），一般分為高頻差模濾波器和共模濾波器兩部分，如圖55所示，L1L3、C1C5構(gòu)成了EMI濾波器。L1、L2的電感值一般在幾百微亨幾個(gè)毫亨之間，C1通常取0.1F左右，C2C5一般取2200pF4700pF，L3一般在0.3mH40mH之間。（2）橋式整流電路整流電路輸入電壓為工頻正弦，流過的電流也近似為工頻正弦，輸入功率因數(shù)約為1。因此，二極管

9、VD1VD4承受的最高電壓為輸入最大相電壓峰值，依據(jù)逆變輸出的功率和估算的電路效率可以大致計(jì)算出輸入電流的有效值，這樣就很容易確定輸入整流二極管的參數(shù)要求。假定輸入交流電壓的最大峰值為Uacpkm、燈負(fù)載的功率為PH、輸入輸出的變換效率為、輸入最低交流電壓有效值為Uacmin，則整流二極管反向重復(fù)峰值電壓為 URRM=(1.52.0)Uacpk m整流二極管正向通態(tài)平均電流為 IF(AV=)(1.52.0)（3）C6的選擇C6起高頻濾波作用，根據(jù)器件數(shù)據(jù)手冊的典型設(shè)計(jì)，典型參數(shù)取值范圍為1F2 F，功率小時(shí)可以適當(dāng)減小。電容承受最高電壓為輸入最大相電壓的峰值，以此可以確定電容C6參數(shù)，一般可以

10、選擇耐壓為250VAC以上的薄膜電容或瓷片電容。（4）R1與R2的選擇乘法器的輸入電壓范圍最小為02.5V，應(yīng)保證輸入為最大相電壓的峰值時(shí)乘法器的輸入在正常輸入電壓范圍，即要求 PH 1.57hUacmin2.5V³UacpkmR2R1+R2R1與R2數(shù)據(jù)的具體選擇范圍，可以參考數(shù)據(jù)手冊的典型設(shè)計(jì)。（5）R3與C7的選擇R3與C7構(gòu)成了啟動(dòng)電路，依據(jù)器件的數(shù)據(jù)手冊，啟動(dòng)時(shí)最大電源電流Iccmax=0.4mA，運(yùn)行時(shí)Iccmax=12mA?？紤]到電容C7的儲能作用，因此流過R3的最大電流可以選在兩者之間，參考數(shù)據(jù)手冊的典型設(shè)計(jì)可取R3=100k，C7=100F。（6）C8的選擇由MC3

11、3262/34262芯片資料，內(nèi)部誤差放大器的跨導(dǎo)gmmin=80mho，其帶寬為 BW=gm 2C8一般設(shè)置BW=20Hz左右，可以選取C8=0.68F。（7）R7與R8的選擇R7與R8用于設(shè)定APFC輸出電壓，MC33262/34262芯片電壓反饋輸入典型閾值VFB=2.5V，它由芯片內(nèi)部提供的基準(zhǔn)電壓Vref確定。假定APFC輸出電壓為Ud，則R7與R8滿足2.5V=R8Ud R7+R8對于單相交流輸入，通常設(shè)定Ud為400V左右，參考數(shù)據(jù)手冊的典型參數(shù)，一般可取R8=10k，R7 =1.6M。（8）VD6的選擇假定APFC輸出電壓為Ud，當(dāng)VD6關(guān)斷時(shí)，承受的反向電壓約為Ud，以此可以

12、確定二極管的反向重復(fù)峰值電壓。由于APFC輸出直流電流可以由輸出功率方便確定，對于電子鎮(zhèn)流器這樣的小功率的應(yīng)用，可以直接利用輸出直流電流保留一定的余量來作為VD6的有效值電流，以此選擇二極管的電流容量。二極管的反向重復(fù)峰值電壓為 URRM=(1.52.0)Ud二極管的正向通態(tài)平均電流為 IF(AV=)(1.52.0)PH 1.5h7Ud以MC33262/34262控制芯片構(gòu)建的APFC電路屬于變頻工作，輸入電壓的變化范圍不同，電路的工作頻率變化范圍也不同，其變化范圍大致為25kHz50kHz，一般可以選擇反向恢復(fù)時(shí)間不大于100ns的快恢復(fù)二極管。（9）R4與VD5的選擇R4的作用是電感電流的

13、過零檢測，電感T1實(shí)際是一個(gè)反激式變壓器。電流過零檢測端的輸入電壓鉗位范圍為-0.7V6.7V，內(nèi)部滯環(huán)比較器的兩個(gè)閾值點(diǎn)典型值為1.4V和1.6V，當(dāng)R4輸入電壓小于1.4V時(shí)，認(rèn)為電感電流過零。R4的實(shí)際作用是對輸入電壓信號的限流，電流過零檢測引腳的極限電流為-10mA50mA，參考數(shù)據(jù)手冊的參數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)，可以設(shè)定電流過零檢測端輸入峰值電流為1mA左右來選擇R4的阻值，即R4=22k左右。VD5的作用是為芯片工作提供持續(xù)的電源電流，由于R3與C7僅能提供芯片啟動(dòng)工作，持續(xù)工作的能量必須由VD5來提供，由于整個(gè)控制電路功率很小，因此VD5可以選擇1A左右的快恢復(fù)二極管。參考數(shù)據(jù)手冊的參數(shù)選擇

14、標(biāo)準(zhǔn)，T1原、副邊的匝比典型值在12左右，考慮原邊的最大輸入電壓值，因此VD5可以選擇100V左右的反向重復(fù)峰值電壓。（10）C9、R5與R6的設(shè)計(jì)R6是電流反饋采樣電阻，C9、R5的作用是抑制電流波形中的尖刺。根據(jù)MC33262/34262芯片資料，R6的選擇可以按如下計(jì)算：流過電感L1的最大峰值電流ILpkmax為ILpkmax=22Pd22PH »UacminhUacmin電流采樣輸入電壓Ucs的閾值最小為1.3V，依據(jù)資料推薦，正常反饋電壓值取1V左右，則有ILpkmaxR6=Ucs=1VC2、R5的選取可參考資料典型電路的設(shè)計(jì)，可取C2=1000pF，R5=330。（11）

15、VT1的選擇VT1關(guān)斷時(shí)承受電壓約為Ud，以此可以選擇MOSFET的漏源擊穿電壓U(BR)DSS。U(BR)D=(1.52.0)Ud SS準(zhǔn)確計(jì)算流過MOSFET的最大電流有效值比較復(fù)雜，通常可以根據(jù)流過電感T1的最大峰值電流ILpkmax來近似估算，考慮到VT1占空比變化范圍可以在01之間，因此漏極連續(xù)直流電流選擇如下：ID=(1.52.0)ILpkm a（12）C10與C12的選擇假定APFC電路輸出允許的直流紋波峰值為Ud，則APFC電路輸出濾波電容選擇要求為C³PHPd 2w0Ud´DUd式中 Pd»h為APFC電路輸出功率，0工頻電角頻率。C10=C12

16、=2C同時(shí)要求滿足 C10=C12>>C15（13）APFC電感選擇依據(jù)MC33262/34262芯片資料，電感T1的選擇如下：t(初級繞組電感 L1=Ud2-Uacm)ihnUacmin2 2UdPd式中 Pd為APFC電路輸出功率；Ud為APFC電路輸出電壓；Uacmin為電網(wǎng)輸入最小交流電壓有效值；為電路工作效率；t為開關(guān)周期，選擇如下：寬輸入電壓范圍時(shí)（85V265V）取t = 40s窄輸入電壓范圍時(shí)（184V276V）取t = 20s電感T1初、次級的匝比在12左右。2、逆變電路與燈電路網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)本章介紹的逆變系統(tǒng)由IR21531為核心的半橋電路構(gòu)成，IR21531是一種高

17、壓、高速、帶有高、低端驅(qū)動(dòng)的半橋驅(qū)動(dòng)器。該器件前級可調(diào)振蕩器的功能與大家熟知的555 時(shí)基電路相似。驅(qū)動(dòng)器的輸出帶有緩沖單元，可設(shè)定內(nèi)部死區(qū)時(shí)間，防止橋路中的兩只功率開關(guān)管直通。高、低端管子具有延時(shí)匹配，適用于占空比為50%的場合，該器件可驅(qū)動(dòng)N溝道功率MOSFET 或IGBT，其內(nèi)部電路原理結(jié)構(gòu)框圖如圖57所示。逆變電路的參數(shù)設(shè)計(jì)方法如下：（1）R10與C11的選擇IR21531芯片的推薦電源電流最大Iccmax=5mA，極限工作電流為25mA，因此R10的設(shè)置應(yīng)使Vcc的電流在此范圍之內(nèi)，一般不大于10mA，C11為電源濾波電容，應(yīng)選擇高頻性能好的電容，考慮到APFC電路輸出電壓具有100

18、Hz的紋波，C11應(yīng)具備一定的容量。假定取Vcc的電流為10mA，則 R10=Ud-15.6V 10mA電容C11可選47F100F、25V高頻特性好的電解電容，或電解電容并聯(lián)高頻性能較好的瓷片電容。圖57 IR21531控制芯片原理結(jié)構(gòu)框（2）R9與C7的選擇R9與C7決定了逆變電路的工作頻率，其參數(shù)設(shè)定可以參閱IR21531芯片的數(shù)據(jù)手冊。電子鎮(zhèn)流器的工作頻段一般設(shè)定在24kHz31kHz或42kHz90kHz之間，逆變電路通?？扇?0kHz或50kHz，以此可以選擇R9與C7。（4）VD7與C13的選擇VD7與C13的作用是為高端的MOSFET提供驅(qū)動(dòng)電源，自舉元件VD7與C13的選擇可

19、以參考IR公司相關(guān)設(shè)計(jì)指南。由于其承受的工作電壓最高約為Ud，通常VD7可以選擇1A、600V左右快恢復(fù)二極管。 C13一般可以選擇幾個(gè)微法幾十微法的容量，耐壓等級不低于25V。（5）L5與C15的選擇逆變橋的負(fù)載等效電路和負(fù)載電壓、電流波形如圖58所示，假定熒光燈的參數(shù)為燈電壓UH，燈電流IH，燈功率PH，逆變電路工作頻率為f，燈負(fù)載近似為電阻，電流為對稱指數(shù)曲線構(gòu)成的波形，忽略諧波影響，以基波近似計(jì)算相關(guān)參數(shù)。參考式（33），逆變輸出電壓基波有效值為 Uo1rm=Ud s0.45逆變輸出基波電流有效值與燈電流有效值相等，即 Io1rm=sIH忽略電感、電容的損耗，逆變輸出基波有功功率即為燈

20、負(fù)載功率，有 Po1=Uo1rmIos1rmcosUdIHcosj1=PH sj1=0.45即 cosj1=PH 0.45UdIH由于 tanj1=2pfL50.45UdIH21=-1=()-1 RHPH(cosj1)2(0.45UdIH2)-1 PH因此 L5=RH2pfC15的作用在于和L5產(chǎn)生諧振，當(dāng)半橋工作頻率接近L5、C15固有諧振頻率時(shí)，C15兩端形成很高的諧振電壓擊穿燈管點(diǎn)亮。通?？梢赃x擇L5、C15固有諧振頻率為半橋電路工作頻率的23倍，假定L5、C15固有諧振頻率為f0，則 f0=以此可以求得C15的容量。（6）VT2與VT3的選擇對于半橋電路，MOSFET的最高電壓為APFC輸出電壓，根據(jù)流過電感L212pL5C15=(23)f的波形和峰值，可以計(jì)算流過MOSFET的電流有效值。但這樣計(jì)算比較麻煩，比較簡單的方法是直接以