有源高功率因數預熱啟動電子鎮流器

王冬梅 張偉

　　熒光燈交流電子鎮流器在我國已有15年的發展歷史。迄今為止，除出口產品外，在國內市場上很難發現符合GB15143和GB/T15144(或IEC928/929)標準要求的40W及40W以上熒光燈及高強度放電(HID)燈所配用的電子鎮流器。這并非是技術方面的原因，而是國內一般消費水平和產品價位問題。具體地說，符合產品標準要求的40W及40W雙管熒光燈電子鎮流器，出口價格一般在10～15美元，而采用簡單電路的未能達標的電子鎮流器，在國內市場上的單價約為10元人民幣。本文介紹一種單價為30元左右、消費者能夠接受的電子鎮流器，電路原理圖如圖1所示。

　　圖1所示的電子鎮流器電路輸出功率為40W，只要改變少數元件(如LP、L1)參數，可以配接30W雙管和40W雙管熒光燈。

一、電路的組成

　　在圖1所示的電路中，VD1～VD4組成橋式整流電路。功率因數校正(PFC)控制器IC1、磁性元件T1、升壓二極管VD6和功率開關MOSFET(VT1)等，組成有源PFC升壓變換器。橋式整流電路輸出端并接的電容器C2，用作高頻噪聲濾波(如果C2采用大容量的鋁電解電容器，PFC電路的功能將會失效)。鎮流器控制和半橋驅動器IR2156及VT2、VT3等，組成鎮流器控制及半橋逆變器電路。扼流圈L1及燈管兩端并聯的燈啟動電容C16等，組成LC串聯諧振電路。

二、工作原理

1.有源PFC升壓變換器

　　采用橋式整流和電容濾波電路的電子鎮流器，由于只有在AC輸入電壓幅值大于濾波電容上的電壓時，整流二極管才處于正向偏置而導通，所以二極管導通角很小(僅約60°)，使交流輸入電流不再是正弦波，而是變成寬度為3～4ms的窄尖峰脈沖。這樣的電流波形中僅三次諧波就可達到基波的60%～80%，造成線路功率因數不足0.6。

　　在VD1～VD4與濾波電容C6之間，插入了以IC1作為控制器的有源PFC升壓變換器。保持AC輸入電壓波形的全波整流輸出脈動電壓，通過R1與R2電阻分壓器采樣，經IC1的③腳被內部乘法器檢測。PFC升壓變換器在C6兩端的直流輸出電壓，經R8、R9和R10組成的電阻分壓器取樣，輸入IC1的①腳被內部誤差放大器檢測。通過升壓電感繞組LP的電流，被其副繞組感測，經IC1⑤腳輸入到內部的零電流檢測器。流過開關管VT1的電流，在R7上轉換為電壓信號，經IC1④腳輸入到內部的電流感測比較器。IC1內乘法器的輸出，決定IC1④腳的門限。當IC1⑦腳上的PWM輸出驅動VT1導通時，升壓二極管VD6截止，通過LP的電流全部流經VT1。當VT1截止時，VD6導通。IC1控制的結果，使整流二極管導通角幾乎為180°，交流輸入電流連續流動，且時刻跟蹤交流輸入電壓瞬時變化軌跡，并與交流輸入電壓保持同相位，呈正弦波波形，將線路功率因數提高到0.99以上。與此同時，PFC升壓變換器還充當高功率因數開關電源。交流輸入電壓在85～265V范圍變化時，總能輸出400V的穩定電壓。

　　PFC變換器采用升壓型式，在一定的輸出功率下，可以降低輸出電流，從而可以使用小一些的磁性元件和濾波電容器。

2.鎮流器控制與驅動電路

　　IC2(IR2156)通過R11和C7啟動之后，在腳和腳上產生驅動輸出，推動開關管VT2和VT3交替導通。半橋輸出信號經緩沖電容器C14衰減后，通過VD9整流和C7濾波，施加到IC2的VCC腳(②腳)，為IC2提供所需要的工作電流。VCC的啟動門限電壓是11.5V，欠電壓關閉門限電壓是9.5V。VCC內部并聯一只齊納二極管，將VCC腳上電壓箝位在15.6V。

　　IC2被啟動之后，開始輸出一個預熱頻率fPH對燈絲加熱。由于fPH較高，燈電路中扼流圈L1的阻抗(XL1=2πfL1)較大，不能在燈管兩端產生一個高電壓使燈管導通。預熱頻率fPH由IC2④腳外接電阻R13、⑤腳外接電阻R14和⑥腳外接電容C9的數值決定。當R13=43kΩ、R14=68kΩ和C9=470pF時，fPH≈70kHz。IC2⑦腳外接電容C11決定預熱時間tph。當選取C11=0.22μF時，tPh=0.5s。⑥腳外接電容C9的數值決定IC2高端(腳)和低端(腳)。驅動輸出的死區時間tDT。當C9=470pF時，tDT≈0.6μs。

　　預熱時間結束后，IC2輸出頻率沿向下的斜坡偏移到運行頻率fRUN，如圖2所示。隨頻率下降，引起由L1和C16等組成的LC電路發生串連諧振，在C16兩端產生一個1500Vp-p的高壓脈沖將燈管引燃。一旦燈被點火，L1只起限流作用。運行(點燃)頻率fRUN由R13和C9的數值決定。若選取R13=43kΩ，C9=470pF,根據公式fRUN=1/2·CT·(0.51·RT+1475)，fRUN≈43kHz。

　　IC2的③腳(VDC)用作檢測DC總線電壓。在DC總線電壓過低時，為防出現“硬開關”損壞功率MOSFET，將履行欠壓復位功能。VT3源極串聯電阻R16，作為半橋電流感測元件。只要IC2⑩腳上的電壓超過1.3V，振蕩電路將截止，IC2腳和腳上的驅動輸出被“鎖定”在低電平上，VT2和VT3均處于關斷狀態。

　　一旦低直流總線電壓或過電流故障條件解除，IC2則會自動重新啟動。

三、 主要元件的選取

　　二極管VD1～VD4選用IN4007，VD6選用快速恢復二極管IN4937，VD7選用11DF4，VD5、VD8和VD9選用IN4148。VT1～VT3選用IRF830，IC1選用L6561，IC2選用IR2156。T1參數由PFC升壓變換器輸出電壓、輸出功率和AC輸入電壓等參數決定。在本電路中，T1可采用EI-25(PC30)磁芯，用φ0.45mm漆包線繞制，LP=110T,LS=7T,氣隙為1mm，初級繞組電感量是1.9mH。扼流圈L1采用EI-25(PC30)磁芯，用φ0.5mm漆包線繞制，共125T，氣隙是0.4mm，電感量為2.8mH。一旦輸出功率改變，T1、L1等元件參數應作適當調整。