低成本高功率因數(shù)電子鎮(zhèn)流器電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

在照明系統(tǒng)中，電子鎮(zhèn)流器作為一種關(guān)鍵的電能轉(zhuǎn)換與控制裝置，對(duì)于提高照明設(shè)備的性能和壽命具有重要作用。傳統(tǒng)的電感式鎮(zhèn)流器存在效率低、重量大、閃爍嚴(yán)重、噪音大、功率因數(shù)低等缺點(diǎn)，已逐漸被高頻電子鎮(zhèn)流器所取代。高頻電子鎮(zhèn)流器以其重量輕、光效高、無(wú)閃爍、無(wú)噪音、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在照明系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。本文旨在探討一種低成本高功率因數(shù)的電子鎮(zhèn)流器電路設(shè)計(jì)，以期為照明系統(tǒng)的節(jié)能降耗提供新的解決方案。

電子鎮(zhèn)流器的基本原理

電子鎮(zhèn)流器的基本工作原理是將工頻交流電源轉(zhuǎn)換為高頻交流電源，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)熒光燈或LED燈等照明設(shè)備。其主要過(guò)程包括工頻電源經(jīng)過(guò)射頻干擾(RFI)濾波器、全波整流和無(wú)源(或有源)功率因數(shù)校正器(PPFC或APFC)后，轉(zhuǎn)換為直流電源。隨后，通過(guò)DC/AC變換器，將直流電源轉(zhuǎn)換為高頻交流電源，輸出到與燈連接的LC串聯(lián)諧振電路，實(shí)現(xiàn)燈管的點(diǎn)亮與穩(wěn)定工作。

低成本高功率因數(shù)電子鎮(zhèn)流器電路設(shè)計(jì)

1. 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的低成本高功率因數(shù)電子鎮(zhèn)流器采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，包括功率因數(shù)校正(PFC)級(jí)和高頻逆變級(jí)。這種設(shè)計(jì)既保證了功率因數(shù)的提升，又降低了電路復(fù)雜度和成本。

PFC級(jí)設(shè)計(jì)

PFC級(jí)采用TOPswitch三端功率集成開(kāi)關(guān)，將功率MOSFET、脈寬調(diào)制器、高壓?jiǎn)?dòng)偏置電路、帶隙基準(zhǔn)、環(huán)路補(bǔ)償?shù)牟⒙?lián)調(diào)節(jié)器/誤差放大器和故障保護(hù)電路等功能集成于一個(gè)芯片中。該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了外圍電路，降低了成本，同時(shí)提高了功率因數(shù)。

高頻逆變級(jí)設(shè)計(jì)

高頻逆變級(jí)采用自激式半橋逆變電路，將直流母線電壓逆變?yōu)楦哳l交流電壓，供給熒光燈管。自激式半橋逆變電路無(wú)需額外的控制集成電路和控制電源，只需增加少量無(wú)源器件，即可實(shí)現(xiàn)高頻逆變功能，進(jìn)一步降低了成本。

2. 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

EMI濾波器設(shè)計(jì)

EMI濾波器用于濾除輸入電源中的高頻干擾信號(hào)，保護(hù)后續(xù)電路免受干擾。本設(shè)計(jì)中，EMI濾波器由電感L1、L2和電容C1、C2、C3構(gòu)成，能夠有效地濾除高頻噪聲，提高電路的電磁兼容性。

PFC電路設(shè)計(jì)

PFC電路通過(guò)Boost升壓電路實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。Boost電路由電感L2、二極管D5、電容C6和TOPswitch構(gòu)成。二極管D6用于阻斷TOPswitch寄生二極管，防止由于Boost二極管D5反向恢復(fù)尖峰電流引起的振蕩。電阻R1用于產(chǎn)生與輸入電壓成正比的補(bǔ)償電流，改變占空比的大小，以提高功率因數(shù)，減小總諧波畸變率(THD)。

高頻逆變電路設(shè)計(jì)

高頻逆變電路由標(biāo)準(zhǔn)半橋電路構(gòu)成，包括電容C1、C2和開(kāi)關(guān)管S1、S2。諧振電感Lr和諧振電容Cr與熒光燈構(gòu)成并聯(lián)負(fù)載諧振電路。啟動(dòng)電路由R3、Cst和Dac組成，用于電路啟動(dòng)時(shí)的觸發(fā)控制。電流互感器CT用于檢測(cè)諧振電流，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)，減小開(kāi)關(guān)損耗和電磁干擾。

3. 成本控制與優(yōu)化

器件選型

在器件選型上，我們優(yōu)先考慮了成本低、性能可靠的元器件。例如，TOPswitch三端功率集成開(kāi)關(guān)具有集成度高、成本低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于本設(shè)計(jì)中的PFC級(jí)。同時(shí)，我們選用了性能穩(wěn)定、價(jià)格適中的電容、電感等無(wú)源器件，以確保電路的穩(wěn)定性和可靠性。

簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)

在電路設(shè)計(jì)上，我們盡量簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，減少了不必要的元器件和連接線路。例如，在高頻逆變電路中，我們采用了自激式半橋逆變結(jié)構(gòu)，無(wú)需額外的控制集成電路和控制電源，從而降低了成本。此外，我們還對(duì)電路進(jìn)行了優(yōu)化布局和布線設(shè)計(jì)，以減少電磁干擾和損耗。

通過(guò)采用TOPswitch三端功率集成開(kāi)關(guān)和自激式半橋逆變結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)、高效率、低成本和穩(wěn)定可靠的照明系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電子鎮(zhèn)流器在性能上達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，具有廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力。

未來(lái)，隨著照明技術(shù)的不斷發(fā)展和市場(chǎng)需求的不斷變化，低成本高功率因數(shù)的電子鎮(zhèn)流器電路將不斷優(yōu)化和完善。例如，可以進(jìn)一步降低電路成本、提高電路效率、增強(qiáng)電路保護(hù)機(jī)制等。同時(shí)，隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能照明技術(shù)的發(fā)展，電子鎮(zhèn)流器還可以與智能控制系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能調(diào)光等功能，為照明系統(tǒng)的智能化和節(jié)能化提供更加全面的解決方案。