高性能電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)及其專用集成控制器設(shè)計(jì)

摘要：討論高性能電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)必需具備的電路結(jié)構(gòu)、功率因子校正電路的基本原理，介紹美國(guó)微線性公司（MicroLinearCorporation）的電子鎮(zhèn)流器專用集成控制器及其構(gòu)成的高性能電子鎮(zhèn)流器電路。

Abstract: Circuit structure essential for a high performance electronic ballast system, and fundamental circuits of power factor correction were discussed first. After that, a series of special electronic ballast integrated controllers of Micro Linear Corporation and a high performance electronic ballast system were described.

關(guān)鍵詞：電子鎮(zhèn)流器功率因子校正集成電路控制器

Keywords： Electronic ballast， Power factor correction， Integrated circuit controller

　　1引言

1997年10月1日，我國(guó)“綠色照明工程”正式啟動(dòng)，這是照明技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)一項(xiàng)重大決策和舉措，必將對(duì)我國(guó)的能源、電光源和照明技術(shù)，甚至環(huán)境保護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響。

　　據(jù)國(guó)家經(jīng)貿(mào)委人士稱：我國(guó)將把采用電子鎮(zhèn)流器和緊湊型熒光燈組成的一體化節(jié)能燈取代白熾燈作為“綠色照明工程”的重要目標(biāo)，“九五”期間，將推廣各種節(jié)能燈3億只以上，形成終端節(jié)電220億度的能力，相當(dāng)于節(jié)約電力建設(shè)資金(490～630)億元，扣除節(jié)電投入，實(shí)際可減少社會(huì)支出(300～400)億元。又據(jù)信息產(chǎn)業(yè)部有關(guān)專家認(rèn)為，在相同光通量條件下，節(jié)能燈比白熾燈可節(jié)約電能80％，用于購(gòu)買節(jié)能燈的費(fèi)用，在(8～10)個(gè)月的電費(fèi)節(jié)余中就可以收回。普通家庭和企事業(yè)單位、賓館飯店、商業(yè)系統(tǒng)等使用電子節(jié)能燈，比白熾燈更為合算。但是，目前在工頻下工作的老式電感鎮(zhèn)流器，普遍存在耗能高、效率低、體積大，需大量銅材等缺點(diǎn)。所以，國(guó)家已把高頻電子鎮(zhèn)流器取代傳統(tǒng)電感式鎮(zhèn)流器定為一項(xiàng)政策。目前，市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些電子鎮(zhèn)流器，表1列出這些電子鎮(zhèn)流器的性能比較。按照國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC929和我國(guó)的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ZBK74012—90關(guān)于電子鎮(zhèn)流器在“正常情況下使用時(shí)，應(yīng)使燈啟動(dòng)，但不對(duì)燈性能造成損害”；“施加陰極預(yù)熱電壓的最短時(shí)間應(yīng)不少于0.4s”和“開路電壓的波峰系數(shù)不得超過1.8；在最低預(yù)熱期間，不得產(chǎn)生即使是極窄的、不影響有效值的電壓峰值”等規(guī)定，則表1中所列，除高檔電子鎮(zhèn)流器外，均屬不合格產(chǎn)品。特別要強(qiáng)調(diào)的是，早在1982年，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）就制定了名為“家用設(shè)備及類似電器設(shè)備對(duì)供電系統(tǒng)干擾的標(biāo)準(zhǔn)”，即IEC555－2標(biāo)準(zhǔn)。1987年，歐洲也制定了類似的EN60555－2標(biāo)準(zhǔn)。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都嚴(yán)格限定了設(shè)備的功率因子必須接近1，而且還明確作出300W以上設(shè)備，自1992年起；300W以下設(shè)備，自1994年起，凡不符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品不準(zhǔn)銷售的規(guī)定。鑒于功率因子低造成的危害極大，強(qiáng)行貫徹電子設(shè)備和產(chǎn)品的功率因子必須接近1的規(guī)定非常重要，也非常必要，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在雖尚無相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，但可以確信相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)是遲早的事。高性能電子鎮(zhèn)流器自然亦不例外。

表1低、中、高檔電子鎮(zhèn)流器簡(jiǎn)要比較

我們認(rèn)為，高性能電子鎮(zhèn)流器應(yīng)該是既具有功率因子校正，同時(shí)兼?zhèn)錈艄軣艚z預(yù)熱、燈光調(diào)節(jié)和燈電路保護(hù)等功能，且完全符合IEC555－2及類似標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，為此，本文就高性能電子鎮(zhèn)流器必須具備的電路結(jié)構(gòu)和功率因子校正電路的基本原理作簡(jiǎn)要討論，著重介紹美國(guó)微線性公司的電子鎮(zhèn)流器專用集成

控制器ML4831，ML4832，ML4833及由其構(gòu)成的高性能電子鎮(zhèn)流器電路。

2高性能電子鎮(zhèn)流器的電路結(jié)構(gòu)

　　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。

圖1高性能電子鎮(zhèn)流器的電路結(jié)構(gòu)

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。控制電路以輸入電壓信號(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。

圖2電子鎮(zhèn)流器中的PFC電路

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?。ㄏ喈?dāng)于燈的光強(qiáng)減弱），逆變電路的

圖3電流饋送推挽ZVS諧振逆變電路及相關(guān)波形[!--empirenews.page--]

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)。

圖4燈電路網(wǎng)絡(luò)示例

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。

3ML4830系列高性能電子鎮(zhèn)流器專用集成控制器

表2電子鎮(zhèn)流器用集成電路控制器產(chǎn)品簡(jiǎn)表

　　ML4830/31/32/33是美國(guó)微線性公司專為高性能電子鎮(zhèn)流器開發(fā)的集成電路控制器。第一代產(chǎn)品ML4930已淘汰；第二代產(chǎn)品ML4831系采用雙極型集成電路工藝制造；第三代產(chǎn)品ML4832采用Bicmos工藝替代原先的雙極型工藝，電路偏置電流大大減小，自耗顯著降低；第四代產(chǎn)品ML4833不僅采用Bicmos工藝，內(nèi)部結(jié)構(gòu)亦有重大改進(jìn)，故功能增強(qiáng)，性能更好。這些器件盡管都可采用圖5功能框圖，實(shí)際上ML4831和ML4832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及ML4833的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分別如圖6及圖7所示。

圖5ML4831/32/33功能框圖[!--empirenews.page--]

圖6ML4831/32內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

圖7ML4833內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖