臨界斷續模式PFC在電子鎮流器中的應用

臨界斷續模式PFC在電子鎮流器中的應用

摘要：介紹了一種臨界斷續導電模式的功率因數校正（PFC）技術，它應用Boost型電路，主要特點是通過控制固定開關的導通時間，使電感電流呈臨界斷續的三角波變化，其平均值隨正弦波變化，這種功率因數校正技術可以使電路的功率因數達到0.99以上，用在電子鎮流器中可以提高電子鎮流器的性能。

關鍵詞：臨界導通；功率因數校正；電子鎮流器

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1??? 引言

??? 隨著高頻開關電源的發展，電子鎮流器以其效率高，無頻閃，體積小等優點，獲得了廣泛的認同。它將取代傳統的鐵心式電感鎮流器,成為與熒光燈配用的新型鎮流器件。據統計，照明用電約占人類總發電量的20％，電子鎮流器的推廣使用，將可以使照明用電節約20％以上，因此，高性能電子鎮流器的研究和生產受到了國內外的廣泛重視。

??? 就高性能電子鎮流器而言，最為關鍵的技術指標是它的電源進線電流的總諧波含量大小及線路功率因數的高低。如果電子鎮流器電源進線電流的諧波含量大，就會給電網帶來污染，至于電子鎮流器的線路功率因數的高低也會直接關系到電網的利用效率。為了減少對交流電網的污染，目前國內外已經推出了一些限制電流諧波的標準，如國際電工委員會(IEC)根據國際上電子鎮流器的發展情況，幾年前成立了專門的技術小組對有關技術問題和標準進行了研究，并已頒布了相應的標準IEC1000-3-2 Class C。在IEC對AC/DC電源規定的IEC1000-3-2四類諧波標準（ClassA，B，C，D）中，對照明用的電子鎮流器的要求是最為嚴格的，因此提高線路的功率因數是做好高性能電子鎮流器的關鍵之一。

2??? 幾種工作模式的比較

??? 有源功率因數校正（APFC）是抑制電力電子裝置對電網諧波污染的最有效的措施，根據電感電流是否連續，APFC電路的工作模式分為連續導電模式（CCM）、斷續導電模式（DCM）和介于兩者之間的臨界斷續導電模式（DCM boundary）。

??? 在CCM工作模式下，輸入電流及輸出電壓紋波都比較小，但控制較復雜，開關損耗較大，制作成本也比較高。這種導電模式一般適用于大功率、大電流的產品中，對于普通的熒光燈電子鎮流器顯然是不合適的。

??? DCM技術有很明顯的缺點，輸入電流紋波比較 大 ， 因 而 開 關 的 損 耗 很 大 ， 使 開 關 的 使 用 壽 命 降 低 ； 輸 出 電 壓 的 紋 波 也 比 較 大 ， 對 負 載 有 一 定 的 影 響 。 因 此 它 一 般 只 適 合 對 功 率 因 數 要 求 不 高 、 功 率 較 小 的 場 合 。

??? 在臨界斷續導電模式（DCMBoundary）下如圖1所示，通過加入相應的控制電路，使得輸入電流的峰值隨正弦波值的變化而變化，其功率因數可以非常高，達到95％是很容易的。與前兩者相比，臨界斷續導電模式也有其自身的特點：與CCM技術相比，它的輸入電流，輸出電壓的紋波比較大，因而對開關的沖擊較大，同時開關的導通損耗也比較大，但它的電路結構比較簡單，比較容易控制，成本也比較低；與DCM技術相比，它的輸入電流，輸出電壓的紋波比較小，功率因數也比較高，但電路結構要復雜些，控制也相對較復雜，成本比較高。

圖 1??? 臨 界 導 通 模 式 下 電 感 電 壓 和 電 流 波 形

??? 根據實際情況，本文采用臨界導通模式設計電子鎮流器的功率因數校正電路。

3??? 臨界導通模式功率因數校正的基本原理

??? 臨界導通模式是一種固定導通時間的功率因數校正模式，本文采用Boost型拓撲實現這種電路，基本原理如圖2所示。它的主要特點是：固定導通時間控制方法，會使峰值電感電流包絡線跟隨AC輸入電壓v_in的變化軌跡，根據幾何學上的關系，平均輸入電流I_in等于峰值三角形電感電流的一半。隨著前一個周期的結束，ZCS迫使一個新周期的開始。由于電感電流回落到零后沒有死區時間存在，因而導致輸入電流i_in連續流動，并按正弦規律跟蹤AC輸入電壓v_in的瞬時變化軌跡，從而使線路功率因數趨于1。

圖 2??? Boost型 電 路 基 本 原 理 圖

??? 流過L的電流即橋式整流器的輸出電流，實際上也代表橋式整流器的輸入電流i_in。圖1為電感L電流i_L(t)波形示意圖。由圖1可知，電感電流成三角波。在開關開通期間，電感電流從0沿向上的斜坡增加到峰值；在開關關斷期間，電感電流從峰值沿斜坡下降到0。只要電感電流一跌落到0，下一個開關周期就開始。電感峰值電流I_LP總是為平均輸入電流的2倍。

??? 顯而易見，式（1）的關系成立

??? I_inP=??? （1）

式中：I_inP為交流輸入電流峰值；

????? I_LP為在AC輸入電壓上的電感峰值電流。

??? 最大峰值交流輸入電流I_inPmax由式（2）決定

??? I_inPmax=??? （2）

式中：P_o為APFC預調整器輸出功率（W）；

??????????? η為變換器效率；

????? V_acL為最低交流輸入電壓有效值（V）。

??? 變換器的電感量可用式（3）近似確定

??? L=??? （3）

式中：T_s=1/f_s，開關的工作周期（s），取中值；

????? V_o為APFC預調整器輸出電壓（V）。

4??? 設計實例以及實驗結果

??? 根據以上分析，設計輸出功率為72W的電子鎮流器。由于用專用芯片——有源功率因數校正控制器構成的功率因數校正電路結構簡單，外圍電路元器件少，這就大大縮小了電路的體積，降低了系統的成本，提高了系統的可靠性。因此，控制器采用ST公司最新的APFC芯片L6561，它包含許多高性能的控制模塊和保護特性，采用電流、電壓雙環結構，實現電路的臨界斷續導電模式。其工作原理框圖如圖3所示。

圖3??? 用L6561實 現PFC的 原 理 框 圖

??? 該電路的參數為：額定輸出功率P_o=72W，交流輸入電壓U_in=90～265V，頻率f=50Hz，輸出電壓U_o=400V，開關頻率f_s=20～50kHz。

??? 電子鎮流器的第二級采用半橋式電路，用普通的并聯諧振電路作為熒光燈的啟動及工作電路。整個電路系統結構如圖4所示。

圖4??? 電 子 鎮 流 器 電 路 結 構

??? 通過對參數的合理設計，實驗所得主要波形如圖5－圖7所示。

圖5??? 輸 入 電 壓 、 電 流 波 形(V:100V/div,I:1 A/div)

圖6??? 電 感 電 流 波 形(I:0.5 A/div)

圖7??? 熒 光 燈 燈 電 流 波 形(I:0.4 A/div)

??? 由圖5可以看到該電路對電網的諧波污染可基本忽略，功率因數已達到0.99以上。

??? 由圖6可以看到電感電流波形的包絡線是理想的正弦半波，充分體現了臨界斷續導電模式的特點。

??? 圖7為熒光燈電流波形，在高頻下，熒光燈可近似為一電阻，因此在諧振電路中的電流近似正弦波。

5??? 結語

??? 以L6561為核心的功率因數校正器，通過合理的參數設計，可使功率因數達到0.99以上，效率可達92％。把這種技術用于電子鎮流器裝置中，可以大大減小對電網的污染，提高電源效率。隨著電力電子技術的發展，這一應用必將得到推廣。