針對(duì)電子鎮(zhèn)流器的電路原理及應(yīng)用進(jìn)行研究分析

一、什么是鎮(zhèn)流器?鎮(zhèn)流器連接在電源和一個(gè)或多個(gè)放電燈之間，主要用來把燈的電流限制到要求的值的一種部件。它可能包括改變供電電壓和(或)頻率、提高功率因數(shù)的器件，即可以單獨(dú)地也可以和啟輝器一起給燈的啟動(dòng)提供必要的條件。而交流電子鎮(zhèn)流器是指安裝在電源與一個(gè)或幾個(gè)熒光燈之間，將電源的交流電變換為較高頻率的交流電，使燈(單支或多支)正常啟動(dòng)和穩(wěn)定工作的變換器或電子裝置。

二、鎮(zhèn)流器的分類1、從工作原理上可分：電感鎮(zhèn)流器和電子鎮(zhèn)流器

2、按安裝模式可分為：獨(dú)立式、內(nèi)裝式、整體式

3、從啟動(dòng)方式上分為：預(yù)熱啟動(dòng)式、冷啟動(dòng)式(或瞬時(shí)啟動(dòng))

三、鎮(zhèn)流器工作原理1、電感鎮(zhèn)流器工作原理

如下圖，施加220V 交流電源時(shí)，電流流過鎮(zhèn)流器，燈管燈絲啟輝器給燈絲加熱(啟輝器開始時(shí)是斷開的，由于施壓了一個(gè)大于190V以上的交流電壓，使得啟輝器內(nèi)的跳泡內(nèi)的氣體弧光放電，使得雙金屬片加熱變形，兩個(gè)電極靠在一起，形成通路給燈絲加熱)，當(dāng)啟動(dòng)器的兩個(gè)電極靠在一起，由于沒有弧光放電，雙金屬片冷卻，兩極分開，由于電感鎮(zhèn)流器呈感性，當(dāng)電路突然中斷時(shí)，在燈兩端會(huì)產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間約1ms的600V—1500V的脈沖電壓，點(diǎn)亮燈管，其確切的電壓值取決于燈的類型。

此外，在燈管放電的情況下，燈的兩端電壓立即下降，此時(shí)鎮(zhèn)流器一方面對(duì)燈電流進(jìn)行限制作用，另一方面使電源電壓和燈的工作電流之間產(chǎn)生55°—65°的相位差，從而維持燈的二次啟動(dòng)電壓，使燈能更穩(wěn)定的工作。

電感鎮(zhèn)流器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)，作為第一種熒光燈配合工作的鎮(zhèn)流器，它的市場(chǎng)占有率還比較大，但是，由于它的功率因數(shù)低，低電壓?jiǎn)?dòng)性能差，耗能笨重，頻閃等諸多缺點(diǎn)，它的市場(chǎng)慢慢地被電子鎮(zhèn)流器所取代。

2、電子鎮(zhèn)流器工作原理如下圖，市電經(jīng)過射頻干擾(RFI)濾波器，全波整流和功率因數(shù)校正器(PPFC或APFC)后，變?yōu)橹绷麟娫础Ｍㄟ^DC/AC變換器，輸出20K—100KHZ的高頻交流電源，加到與燈連接的LC串聯(lián)諧振電路加熱燈絲，同時(shí)在電容器上產(chǎn)生諧振高壓，加在燈管兩端，促使燈管“放電”變成“導(dǎo)通”狀態(tài)，再進(jìn)入發(fā)光狀態(tài)，此時(shí)高頻電感起限制電流增大的作用，保證燈管獲得正常工作所需的燈電壓和燈電流，為了提高可靠性，常增設(shè)各種保護(hù)電路、如異常保護(hù)、浪涌電壓、電流保護(hù)、溫度保護(hù)等等。

電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中RFI和EMI濾波器將來自電網(wǎng)的傳導(dǎo)射頻干擾和電磁干擾濾除，同時(shí)阻礙鎮(zhèn)流器電路產(chǎn)生的傳導(dǎo)射頻及電磁干擾進(jìn)入電網(wǎng)。橋式整流電路將輸入交流變換成直流。功率因子校正電路則起改善輸入交流電流波形的作用，確保輸入電流正弦化并與輸入電壓同相位，實(shí)現(xiàn)功率因子接近或等于1。逆變電路完成直流高壓向高頻交流的變換，通過燈電路網(wǎng)絡(luò)將輸入功率最終傳輸給熒光燈管。燈網(wǎng)絡(luò)除了傳遞電功率之外，還將實(shí)施熒光燈燈絲的預(yù)熱、燈管工作狀態(tài)信號(hào)的取樣和反饋。燈工作狀態(tài)的反饋信號(hào)取自功率因子校正電路和調(diào)光信號(hào)，經(jīng)控制電路處理得到正確的逆變電路中開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖。

傳統(tǒng)的磁性鎮(zhèn)流器使用工作于60Hz的鐵芯電磁元件.工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生閃爍和可聞噪聲。磁性鎮(zhèn)流器內(nèi)部無功率因數(shù)校正(IWC)電路，而將PFC電路加入其內(nèi)部也很困難，其輸入電流電壓相位不一致。含有大量的諧波分量，滿足不了鎮(zhèn)流器諧波低于照明系統(tǒng)諧波電流的IEC 61000—3—2C級(jí)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。并且，由鎮(zhèn)流器產(chǎn)生的任何諧波也會(huì)對(duì)其他連接在同一電源上的電子系統(tǒng)造成影響。

電子鎮(zhèn)流器的出現(xiàn)向磁性鎮(zhèn)流器提出了挑戰(zhàn)。它能彌補(bǔ)傳統(tǒng)磁性鎮(zhèn)流器的不足，工作時(shí)不僅無閃爍和可聞噪聲，而且可以輕易地加入功率因數(shù)校正，具有良好的高功率因數(shù)(PF)和低總諧波失真(THD)特性。傳統(tǒng)電子鎮(zhèn)流器控制器由分離的控制IC、柵極驅(qū)動(dòng)IC和PFC IC構(gòu)成。IR2166/IR2167是國(guó)際整流器公司推出的電子鎮(zhèn)流器控制器.是新一代電子鎮(zhèn)流器控制集成電路的代表。這二款器件采用單芯片方案.除降低系統(tǒng)成本，減少元件數(shù)量外，也簡(jiǎn)化了安裝，提高了可靠性，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間，在電子鎮(zhèn)流器控制電路中得到了廣泛應(yīng)用。

2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳功能

IR2166dR2167采用DIP和SOIC 2種封裝，IR2166為20引腳，IR2166為16引腳。它們具有相同的PFC控制，不同的鎮(zhèn)流器控制。此外，IR2167還具有欠電流保護(hù)、低于諧波點(diǎn)保護(hù)和熱過載保護(hù)等特性。IR2166的引腳排列如圖l所示，其引腳功能如表1所列。

3 PFC功能

3.1 PFC控制方式

功率因數(shù)校正(PFC)是IR2166/IR2167的主要功能。二者具有相同的PFC控制，內(nèi)部都含有1個(gè)有源功率因數(shù)校正電路。

IR2166/IR2167可以針對(duì)交流輸入電壓產(chǎn)生交流輸入電流。實(shí)現(xiàn)的控制方法基于工作于臨界導(dǎo)通模式(CCM)的升壓型變換器。如圖2所示。

即在PFCMOSFET的每個(gè)開關(guān)周期，電路一直等待到電感器電流放電到零時(shí)才再次開通PFC MOSFET。PFCMOSFET的開關(guān)頻率(>10kHz)遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率(50Hz一60Hz)。

開關(guān)管MPFC開通時(shí)，電感器LPFC接到整流輸出的正端(+)和負(fù)端(一)，LPFC電流線性增加。當(dāng)MPFC關(guān)斷時(shí)，LPFC連接于整流輸出的正端和直流母線電容器Cm;(通過二極管DOFC，LPFC中電流流向CBUS。由于MPFC以高頻工作，CBUS電壓被充到特定的電壓。反饋回路通過連續(xù)檢測(cè)直流母線電壓和相應(yīng)地調(diào)節(jié)MPFC的開通時(shí)間將電壓調(diào)整到固定值。若直流電壓上升.則開通時(shí)間減小.若直流電壓下降，則開通時(shí)間增加。由于這個(gè)負(fù)反饋控制是低速和低增益的，因此電感器平均電流平滑地跟隨低頻電網(wǎng)電壓，從而實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)和低THD。在多個(gè)電網(wǎng)電壓周期內(nèi)，MPFC的開通時(shí)間是固定的。因?yàn)殚_通時(shí)間固定，關(guān)斷時(shí)間由電感器的電流釋放到零決定，結(jié)果是系統(tǒng)的頻率可自由改變.并連續(xù)地從交流電壓過零附近的高頻過渡到交流電壓達(dá)到峰值時(shí)的較低頻率。

交流電壓較低(過零附近)時(shí)，電感器電流升到較小的值.放電較快，因此開關(guān)頻率高。交流電壓較高(峰值附近)時(shí)，電感器電流升到較高的值，放電時(shí)間較長(zhǎng)，頻率較低。三角形PFC電感器電流被E-MI濾波器平滑而產(chǎn)生正弦交流電流。

3.2 PFC控制電路

IC內(nèi)部PFC控制簡(jiǎn)化電路如圖3所示。以內(nèi)部4V電壓為參考.調(diào)節(jié)VBUS實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的調(diào)整。反饋回路是傳導(dǎo)可調(diào)(OTA)放大器，其灌或拉電流流向外部COMP腳的電容器。COMP腳的電壓為內(nèi)部電容器Cl充電的閾值，決定MPFC的開通時(shí)間。在鎮(zhèn)流器預(yù)熱和觸發(fā)期間，OTA的增益設(shè)定較高，給直流母線電容器快速充電，減小可能發(fā)生在觸發(fā)期間的直流母線電容器的瞬態(tài)沖擊。在運(yùn)行期間，增益調(diào)整到較低的水平，獲得高功率因數(shù)和低THD。

MPFC關(guān)斷時(shí)間決定于LPFC放電到零的時(shí)間。由連接到ZX腳的L。二次側(cè)繞組檢測(cè)零電流。關(guān)斷時(shí)間始于超過電路內(nèi)部2V閾值的上升沿。當(dāng)LPFC電感器電流放電到零時(shí)，關(guān)斷時(shí)間止于低于電路內(nèi)部1.7V閾值的下降沿，MPFC隨之再次開通，PFC時(shí)序如圖4。此過程不定周期地重復(fù)，直到鎮(zhèn)流器出現(xiàn)故障而關(guān)閉PFC功能(故障模式)。如果直流母線電壓過壓或欠壓，或ZX腳沒有檢測(cè)到下降負(fù)沿，Mnc將保持關(guān)斷，直到內(nèi)部定時(shí)器強(qiáng)迫MPFC開通，而開通時(shí)間由COMP腳的電壓決定。定時(shí)器脈沖每400ms不定期發(fā)生，直到ZX腳出現(xiàn)正確的上升和下降沿信號(hào)，PFC正常工作為止。

2.1功率因子校正電路

系統(tǒng)的功率因子(PowerFactor，PF)，定義為

PF=γcosφ1(1)

式中γ=I1/IRMS，是輸入電流的基波有效值與輸入總電流有效值之比，稱電流的失真因子(DistortionFactor,DF)，φ1為基波電流與電壓的相移角。

如果系統(tǒng)的輸入電壓與電流無相移(即系統(tǒng)為純電阻性)，且無任何諧波分量(即DF=1)，該系統(tǒng)的PF必然等于1。遺憾的是，目前絕大多數(shù)電子設(shè)備與工頻電網(wǎng)相接的輸入整流濾波單元都采用不控二極管和大容量電解電容器組成，網(wǎng)側(cè)電流的瞬時(shí)值相當(dāng)高(一般約為IRMS的2倍～3倍)，持續(xù)時(shí)間非常短(通常不超過4ms)，呈嚴(yán)重非正弦化特征，故系統(tǒng)的PF遠(yuǎn)低于1。功率因子校正就是針對(duì)傳統(tǒng)不控整流電路的弊病，采取相應(yīng)的電路措施，在提高系統(tǒng)DF值的同時(shí)，盡量減小輸入基波電流和電壓的相移，最終實(shí)現(xiàn)PF值等于1的目標(biāo)。圖2所示為電子鎮(zhèn)流器中常用的升壓型有源功率因子校正電路?？刂齐娐芬暂斎腚妷盒盘?hào)作基準(zhǔn)，輸入電流和輸出電壓信號(hào)的乘積作調(diào)制源，得到正弦脈寬調(diào)制(SPWM)信號(hào)給升壓型DC/DC功率變換電路，以調(diào)節(jié)功率開關(guān)的通、斷時(shí)間比，最后獲得穩(wěn)定的直流高壓。升壓型功率變換電路中的功率開關(guān)器件，由于在控制電路輸出的SPWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)下高速通、斷，故可確保流經(jīng)與整流橋相串聯(lián)的電感中的電流波形為正弦波，且與輸入電壓同相，從而得到系統(tǒng)輸入電流的失真因子γ=1和φ1=0,即cosφ1=1,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率因子為1。

2.2逆變電路

逆變電路最主要的功能是將經(jīng)功率因子校正電路輸出的高壓直流變換為供熒光燈使用的高頻交流。圖3所示為電子鎮(zhèn)流器中最常用的電流饋送推挽零電壓開關(guān)(ZeroVoltageSwitching，ZVS)諧振逆變電路及其相關(guān)波形。圖中功率MOSFET推挽管(V1和V2)在占空比為50%的驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)下交替地通、斷，并在功率變壓器初級(jí)電感和電容構(gòu)成的并聯(lián)諧振回路中電流過零時(shí)換向，實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS)，對(duì)高壓直流實(shí)行斬波。零電壓開關(guān)能消除與MOSFET管的輸出電容和寄生電容充電相關(guān)的開關(guān)損耗，而且柵極驅(qū)動(dòng)電荷最小，有利于減少柵極的損耗。圖3右側(cè)所示為功率變壓器初級(jí)所呈現(xiàn)的電壓和流過的電流波形。由于功率變壓器次級(jí)耦合得到的高頻交流是直接饋送至燈路網(wǎng)絡(luò)的，故燈電流(即功率變壓器次級(jí)電流)與逆變電路的輸出電流(即功率變壓器初級(jí)電流)不存在相移?？紤]到燈網(wǎng)絡(luò)的總阻抗在高頻時(shí)會(huì)減小，以及熒光燈自身的負(fù)阻特性，可以發(fā)現(xiàn)隨著燈電流的減小(相當(dāng)于燈的光強(qiáng)減弱)，逆變電路的輸出電流將會(huì)增加。

2.3燈電路網(wǎng)絡(luò)

燈電路網(wǎng)絡(luò)除須將逆變電路輸出的高頻交流功率輸送給燈管，完成電-光的高效轉(zhuǎn)換外，還包括諸如燈絲預(yù)熱、燈電流檢測(cè)反饋以及整個(gè)電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)的輔助供電源等功能。圖4為實(shí)用雙燈管燈電路網(wǎng)絡(luò)的實(shí)例。圖中功率變壓器T初級(jí)接逆變電路，通過電容直接向燈管輸送燈正常發(fā)光所需的燈電流，次級(jí)繞組則向燈管提供預(yù)熱和維持工作的燈絲電流。電流互感器TA執(zhí)行對(duì)燈電流的檢測(cè)和傳感，通過燈電流的變化隨時(shí)將有關(guān)燈工作情況的信號(hào)送往控制電路?？刂齐娐房筛鶕?jù)燈電流的大小(甚至包括燈管脫連和斷路)，判斷燈的發(fā)光強(qiáng)弱，然后向逆變電路發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)。

2.4控制電路

高性能電子鎮(zhèn)流器專用的控制電路應(yīng)該具有包括功率因子校正、燈光調(diào)節(jié)、開燈預(yù)熱、燈管斷路警報(bào)、燈再起動(dòng)程序調(diào)控等一系列功能。目前，國(guó)內(nèi)外器件市場(chǎng)上出現(xiàn)的一些供電子鎮(zhèn)流器用的集成電路控制器，基本上多是以PFC控制為主，適當(dāng)添加燈路控制功能，或通過外部電路實(shí)施燈路控制的產(chǎn)品。相關(guān)產(chǎn)品列于表2，以供參考。值得強(qiáng)調(diào)的是，表2所列產(chǎn)品中，真正稱得上高性能電子鎮(zhèn)流器專用的集成控制器只有美國(guó)微線性公司的ML4830/31/32/33系列產(chǎn)品。