針對電子鎮(zhèn)流器的電路原理及應用進行研究分析

一、什么是鎮(zhèn)流器?鎮(zhèn)流器連接在電源和一個或多個放電燈之間，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、提高功率因數的器件，即可以單獨地也可以和啟輝器一起給燈的啟動提供必要的條件。而交流電子鎮(zhèn)流器是指安裝在電源與一個或幾個熒光燈之間，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：獨立式、內裝式、整體式

3、從啟動方式上分為：預熱啟動式、冷啟動式(或瞬時啟動)

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，電流流過鎮(zhèn)流器，燈管燈絲啟輝器給燈絲加熱(啟輝器開始時是斷開的，由于施壓了一個大于190V以上的交流電壓，使得啟輝器內的跳泡內的氣體弧光放電，使得雙金屬片加熱變形，兩個電極靠在一起，形成通路給燈絲加熱)，當啟動器的兩個電極靠在一起，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，當電路突然中斷時，在燈兩端會產生持續(xù)時間約1ms的600V—1500V的脈沖電壓，點亮燈管，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，此時鎮(zhèn)流器一方面對燈電流進行限制作用，另一方面使電源電壓和燈的工作電流之間產生55°—65°的相位差，從而維持燈的二次啟動電壓，使燈能更穩(wěn)定的工作。

電感鎮(zhèn)流器由于結構簡單，壽命長，作為第一種熒光燈配合工作的鎮(zhèn)流器，它的市場占有率還比較大，但是，由于它的功率因數低，低電壓啟動性能差，耗能笨重，頻閃等諸多缺點，它的市場慢慢地被電子鎮(zhèn)流器所取代。

2、電子鎮(zhèn)流器工作原理如下圖，市電經過射頻干擾(RFI)濾波器，全波整流和功率因數校正器(PPFC或APFC)后，變?yōu)橹绷麟娫?。通過DC/AC變換器，輸出20K—100KHZ的高頻交流電源，加到與燈連接的LC串聯諧振電路加熱燈絲，同時在電容器上產生諧振高壓，加在燈管兩端，促使燈管“放電”變成“導通”狀態(tài)，再進入發(fā)光狀態(tài)，此時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，常增設各種保護電路、如異常保護、浪涌電壓、電流保護、溫度保護等等。

電路結構如圖1所示。圖中RFI和EMI濾波器將來自電網的傳導射頻干擾和電磁干擾濾除，同時阻礙鎮(zhèn)流器電路產生的傳導射頻及電磁干擾進入電網。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，實現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，通過燈電路網絡將輸入功率最終傳輸給熒光燈管。燈網絡除了傳遞電功率之外，還將實施熒光燈燈絲的預熱、燈管工作狀態(tài)信號的取樣和反饋。燈工作狀態(tài)的反饋信號取自功率因子校正電路和調光信號，經控制電路處理得到正確的逆變電路中開關器件的驅動脈沖。

傳統(tǒng)的磁性鎮(zhèn)流器使用工作于60Hz的鐵芯電磁元件.工作時會產生閃爍和可聞噪聲。磁性鎮(zhèn)流器內部無功率因數校正(IWC)電路，而將PFC電路加入其內部也很困難，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級國際標準。并且，由鎮(zhèn)流器產生的任何諧波也會對其他連接在同一電源上的電子系統(tǒng)造成影響。

電子鎮(zhèn)流器的出現向磁性鎮(zhèn)流器提出了挑戰(zhàn)。它能彌補傳統(tǒng)磁性鎮(zhèn)流器的不足，工作時不僅無閃爍和可聞噪聲，而且可以輕易地加入功率因數校正，具有良好的高功率因數(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、柵極驅動IC和PFC IC構成。IR2166/IR2167是國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，減少元件數量外，也簡化了安裝，提高了可靠性，節(jié)省了設計時間，在電子鎮(zhèn)流器控制電路中得到了廣泛應用。

2 內部結構及引腳功能

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、低于諧波點保護和熱過載保護等特性。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

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

IR2166/IR2167可以針對交流輸入電壓產生交流輸入電流。實現的控制方法基于工作于臨界導通模式(CCM)的升壓型變換器。如圖2所示。

即在PFCMOSFET的每個開關周期，電路一直等待到電感器電流放電到零時才再次開通PFC MOSFET。PFCMOSFET的開關頻率(>10kHz)遠大于電網頻率(50Hz一60Hz)。

開關管MPFC開通時，電感器LPFC接到整流輸出的正端(+)和負端(一)，LPFC電流線性增加。當MPFC關斷時，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)檢測直流母線電壓和相應地調節(jié)MPFC的開通時間將電壓調整到固定值。若直流電壓上升.則開通時間減小.若直流電壓下降，則開通時間增加。由于這個負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電壓，從而實現高功率因數和低THD。在多個電網電壓周期內，MPFC的開通時間是固定的。因為開通時間固定，關斷時間由電感器的電流釋放到零決定，結果是系統(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到峰值時的較低頻率。

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

3.2 PFC控制電路

IC內部PFC控制簡化電路如圖3所示。以內部4V電壓為參考.調節(jié)VBUS實現直流母線電壓的調整。反饋回路是傳導可調(OTA)放大器，其灌或拉電流流向外部COMP腳的電容器。COMP腳的電壓為內部電容器Cl充電的閾值，決定MPFC的開通時間。在鎮(zhèn)流器預熱和觸發(fā)期間，OTA的增益設定較高，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。在運行期間，增益調整到較低的水平，獲得高功率因數和低THD。

MPFC關斷時間決定于LPFC放電到零的時間。由連接到ZX腳的L。二次側繞組檢測零電流。關斷時間始于超過電路內部2V閾值的上升沿。當LPFC電感器電流放電到零時，關斷時間止于低于電路內部1.7V閾值的下降沿，MPFC隨之再次開通，PFC時序如圖4。此過程不定周期地重復，直到鎮(zhèn)流器出現故障而關閉PFC功能(故障模式)。如果直流母線電壓過壓或欠壓，或ZX腳沒有檢測到下降負沿，Mnc將保持關斷，直到內部定時器強迫MPFC開通，而開通時間由COMP腳的電壓決定。定時器脈沖每400ms不定期發(fā)生，直到ZX腳出現正確的上升和下降沿信號，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，目前絕大多數電子設備與工頻電網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，網側電流的瞬時值相當高(一般約為IRMS的2倍～3倍)，持續(xù)時間非常短(通常不超過4ms)，呈嚴重非正弦化特征，故系統(tǒng)的PF遠低于1。功率因子校正就是針對傳統(tǒng)不控整流電路的弊病，采取相應的電路措施，在提高系統(tǒng)DF值的同時，盡量減小輸入基波電流和電壓的相移，最終實現PF值等于1的目標。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栕骰鶞?，輸入電流和輸出電壓信號的乘積作調制源，得到正弦脈寬調制(SPWM)信號給升壓型DC/DC功率變換電路，以調節(jié)功率開關的通、斷時間比，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器件，由于在控制電路輸出的SPWM信號驅動下高速通、斷，故可確保流經與整流橋相串聯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,實現系統(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(ZeroVoltageSwitching，ZVS)諧振逆變電路及其相關波形。圖中功率MOSFET推挽管(V1和V2)在占空比為50%的驅動脈沖驅動下交替地通、斷，并在功率變壓器初級電感和電容構成的并聯諧振回路中電流過零時換向，實現零電壓開關(ZVS)，對高壓直流實行斬波。零電壓開關能消除與MOSFET管的輸出電容和寄生電容充電相關的開關損耗，而且柵極驅動電荷最小，有利于減少柵極的損耗。圖3右側所示為功率變壓器初級所呈現的電壓和流過的電流波形。由于功率變壓器次級耦合得到的高頻交流是直接饋送至燈路網絡的，故燈電流(即功率變壓器次級電流)與逆變電路的輸出電流(即功率變壓器初級電流)不存在相移。考慮到燈網絡的總阻抗在高頻時會減小，以及熒光燈自身的負阻特性，可以發(fā)現隨著燈電流的減小(相當于燈的光強減弱)，逆變電路的輸出電流將會增加。

2.3燈電路網絡

燈電路網絡除須將逆變電路輸出的高頻交流功率輸送給燈管，完成電-光的高效轉換外，還包括諸如燈絲預熱、燈電流檢測反饋以及整個電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)的輔助供電源等功能。圖4為實用雙燈管燈電路網絡的實例。圖中功率變壓器T初級接逆變電路，通過電容直接向燈管輸送燈正常發(fā)光所需的燈電流，次級繞組則向燈管提供預熱和維持工作的燈絲電流。電流互感器TA執(zhí)行對燈電流的檢測和傳感，通過燈電流的變化隨時將有關燈工作情況的信號送往控制電路?？刂齐娐房筛鶕綦娏鞯拇笮?甚至包括燈管脫連和斷路)，判斷燈的發(fā)光強弱，然后向逆變電路發(fā)送相應的控制信號。

2.4控制電路

高性能電子鎮(zhèn)流器專用的控制電路應該具有包括功率因子校正、燈光調節(jié)、開燈預熱、燈管斷路警報、燈再起動程序調控等一系列功能。目前，國內外器件市場上出現的一些供電子鎮(zhèn)流器用的集成電路控制器，基本上多是以PFC控制為主，適當添加燈路控制功能，或通過外部電路實施燈路控制的產品。相關產品列于表2，以供參考。值得強調的是，表2所列產品中，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微線性公司的ML4830/31/32/33系列產品。