有源高功率因数预热启动电子镇流器
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。
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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。
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