電子鎮(zhèn)流器中功率因數(shù)校正電路的分析及應(yīng)用

摘  要：IR2166／IR2167是集功率因數(shù)校正器(PFC)、鎮(zhèn)流器和半橋驅(qū)動器為一體的新型電子鎮(zhèn)流器驅(qū)動電路。內(nèi)部的功率因數(shù)校正(PFC)電路以臨界導(dǎo)通模式(CCM)工作，可獲得高功率因數(shù)、低總諧波失真（THD)及直流電壓調(diào)整。給出典型PFC控制電路的原理并進行了分析。
關(guān)鍵詞：鎮(zhèn)流器；IR2166；IR2167；功率因數(shù)校正

1 引言
    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(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級國際標準。并且，由鎮(zhèn)流器產(chǎn)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(xiàn)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(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IC和PFC IC構(gòu)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(shù)量外，也簡化了安裝，提高了可靠性，節(jié)省了設(shè)計時間，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、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(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個有源功率因數(shù)校正電路。

    IR2166／IR2167可以針對交流輸入電壓產(chǎn)生交流輸入電流。實現(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的每個開關(guān)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(guān)頻率(>10kHz)遠大于電網(wǎng)頻率(50Hz一60Hz)。

    開關(guān)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(dāng)MPFC關(guān)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(yīng)地調(diào)節(jié)MPFC的開通時間將電壓調(diào)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(wǎng)電壓，從而實現(xiàn)高功率因數(shù)和低THD。在多個電網(wǎng)電壓周期內(nèi)，MPFC的開通時間是固定的。因為開通時間固定，關(guān)斷時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(guān)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(chǎn)生正弦交流電流。

3．2 PFC控制電路
    IC內(nèi)部PFC控制簡化電路如圖3所示。以內(nèi)部4V電壓為參考．調(diào)節(jié)VBUS實現(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)斷時間決定于LPFC放電到零的時間。由連接到ZX腳的L。二次側(cè)繞組檢測零電流。關(guān)斷時間始于超過電路內(nèi)部2V閾值的上升沿。當(dāng)LPFC電感器電流放電到零時，關(guān)斷時間止于低于電路內(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腳沒有檢測到下降負沿，Mnc將保持關(guān)斷，直到內(nèi)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(xiàn)正確的上升和下降沿信號，PFC正常工作為止。

3．3 PFC電路分析
(1)計算PFC的電感值

   
其中：VBUS是直流母線電壓：
      VAC是最小交流輸入電壓有效值：
      η 是PFC效率(典型值為0．95)：
      fMIN是最小交流輸入電壓時的最小PFC開關(guān)頻率：
POUT是鎮(zhèn)流器輸出功率。

(2)計算PFC電感器的峰值電流

   

(3)計算最大開通時間

4 典型應(yīng)用電路
    圖5示出IR2166驅(qū)動電子鎮(zhèn)流器的典型應(yīng)用電路，其輸入為全橋整流器整流后的電壓．輸入電壓范圍為lOOV~250V，輸入功率因數(shù)大于99％．THD小于15％。電流諧波滿足GBl7625．1-1998 C標準(照明設(shè)備)要求。

5 結(jié)束語
    加入PFC增益作為鎮(zhèn)流器模式的功能體現(xiàn)了集成的好處，它的性能比現(xiàn)有PFC方法更好。沒有PFC時，THD高于100％，功率因數(shù)低至0．50．在電子鎮(zhèn)流器中加入PFC電路不僅提高了電路的功率因數(shù)，而且節(jié)約了能源。據(jù)統(tǒng)計，我國照明用電占全國總用電量的10%，即使其中半數(shù)采用這種鎮(zhèn)流器，年節(jié)約電也可達162億度，將PFC加入電子鎮(zhèn)流器也是能源發(fā)展的必要。