【摘　要】　介紹了一種經實驗驗證為可行的兩級結構的電子鎮流器，該電子鎮流器由TOPswitch構成的PFC級和自激式半橋逆變電路組成。
???? 關鍵詞：電子鎮流器，功率因數校正，諧振

1　引　言
　　傳統的電感式鎮流器具有效率低、重量大、閃爍嚴重、噪音大、功率因數低等缺點，不能滿足人們對照明質量的要求。而用于熒光燈的高頻電子鎮流器具有重量輕、光效高、無閃爍、無噪音、壽命長的優點，被廣泛用于照明系統中〔1〕。
　　單級PFC電子鎮流器由于使用器件少、成本低〔2〕，而成為人們研究的熱點。但是，單級結構中的PFC整流部分和逆變部分通常共用一個開關，使兩者之間有一定的耦合關系，給一些參數的計算帶來不便。而且這種結構下，直流母線電壓隨著電網電壓的波動而波動，這會造成熒光燈工作點的變化，嚴重時可能使熒光燈無法正常工作。在單級自激式電子鎮流器中，直流電壓的變化會引起工作頻率的變化，使升壓電感值的確定較為困難。因此，單級結構的電子鎮流器通常采用自激式〔3〕，以保證工作頻率的穩定，而這樣將會使控制電路復雜、成本增加。
　　本文介紹一種高性能低成本的兩級結構的電子鎮流器，其結構框圖如圖1所示。其中，PFC級采用美國功率集成公司（Power Integrations Inc．）推出的TOPswitch三端功率集成開關和較少的外圍器件構成。高頻逆變部分采用自激式半橋結構將直流電逆變為燈網絡所需的高頻交流電。本設計不需要額外的控制芯片和控制電源，結構簡單、成本較低。
2　系統組成和工作原理分析
?? 本文設計的電子鎮流器照明系統包括具有功率因數校正功能的AC／DC整流級和自激式高頻逆變級兩大部分。下面分別介紹各部分的組成和工作原理。
2．1　功率因數校正
　　TOPswitch是一種三端離線式脈寬調制（PWM）開關，它將功率MOSFET、脈寬調制器、高壓啟動偏置電路、帶隙基準、環路補償的并聯調節器／誤差放大器和故障保護電路等功能全部集成到一個芯片中。
　　由于TOPswitch的開關占空比和控制端的輸入電流呈嚴格的線性關系，因此用來設計PFC電路非常方便。圖2所示是使用TOPswitch設計的Boost PFC電路原理圖。

　　圖中，C1、C2、L1和C3構成EMI濾波器，把電感L2上的高頻電流進行平均，以獲得平滑的正弦輸入電流波形。D1～D4構成全橋整流器。Boost級由L2、D5、C6和TOPswitch構成。二極管D6用于阻斷TOPswitch寄生二極管以防止由于boost二極管D5反向恢復尖峰電流引起的振蕩。電阻R1的作用是產生與輸入電壓成正比的補償電流，改變占空比的大小，以提高功率因數，減小THD。電容C4用于濾除高頻紋波，而對補償電流的影響不大。電阻R2解除補償電流和C間的耦合作用，避免THD的增加。

　　器件參數如圖2所示。輸入電壓為220V AC，輸出電壓為400VDC。該電路在電網電壓＋15％波動范圍內，能夠保證輸出電壓穩定在400V，紋波電壓不大于5V。
2．2　自激式半橋逆變電路
　　用于電子鎮流器的自激式半橋逆變電路，由于不用任何控制集成電路和控制電源，只增加很少的無源器件，使電路結構簡單，成本較低。電路原理圖如圖3所示。
2．2．1　電路組成
　　圖3中，C1、C2和S1、S2構成標準半橋電路。Lr、Cr為諧振電感和諧振電容，與熒光燈構成并聯負載諧振電路。R3、Cst和Dac組成啟動電路。CT是電流互感器，其一次繞組與諧振回路串聯，兩個二次繞組分別與R5、Z1、Z2和R6、Z3、Z4組成S1、S2的驅動電路。D1、D2是S1、S2的寄生二極管。C3、C4分別是S1、S2的并聯電容，以實現S1、S2的零電壓開關。
2．2．2　工作過程分析
　　如圖3所示，當電路上電后，直流母線電壓VB很快達到400V，VB通過電阻R3給電容Cst充電，達到雙向觸發二極管Dac的轉折電壓（28V～36V）時，Dac導通，S2被同時觸發導通，使電路開始起振工作。當電路工作后，不希望啟動電路再觸發，因為若在S1開通時，觸發電路再觸發S2，將造成直通，損壞器件。因此，增加一個放電二極管Dst是必要的。S2開通后，電容Cst通過Dst、S2放電。雖然在S2關斷、S1開通時，Cst通過R3重新開始充電，但是其充電時間常數遠小于開關周期，在達到Dac的轉折電壓前，S2又開始導通，使Cst放電。因此，在正常工作時，觸發電路不起作用。在電路啟動前通過電阻R4給諧振電容充電，以便電路能夠起振工作。
　　電路起振后，由于燈阻抗很高，諧振回路主要由Lr、Cr和燈絲組成，燈絲電阻很小，因此諧振回路的Q值很高，使諧振電容Cr兩端產生足夠高的電壓加在燈的兩端，造成汞蒸汽電離，點亮熒光燈。幾個開關周期后，電路達到穩態。
　　下面分析電路振蕩后的工作原理。為簡化分析，假設：S1、S2為理想開關器件，柵極電容為零；Z1～Z4為理想齊納二極管；柵極驅動電阻為零。

　　圖4給出了簡化后的等效電路和關鍵波形。電流互感器用一個電流控制電流源并聯一個激磁電感Lm等效。一個理想變壓器的兩個繞組分別與S1、S2的柵極相連。假設在t0時刻，S1關斷，S2開通，反饋電流is大于激磁電流imag，因此，流過齊納二極管的電流iz為正，在理想的齊納二極管兩端產生正的電壓施加在S2的柵極，而施加在S1的柵極電壓為負，S2保持導通，S1保持關斷。同時，激磁電感承受正的電壓，激磁電流線性增加，而反饋電流is隨著諧振電流ip的變化而變化，到t1時刻，激磁電流ima超過反饋電流is，iz變負，齊納二極管兩端電壓變負，因此S2關斷，S1開通，下半個開關周期開始。這樣可以保證電路持續振蕩工作。由圖4可知，逆變輸出電壓超前于諧振電流，這樣在電容C3、C4的作用下，可以使S1和S2工作于零電壓開關狀態，以減小開關損耗和電磁干擾。
3　實驗結果
　　根據以上分析制成一個電子鎮流器，電路參數如下：
??? MOSFETs：K1117×2；
　　電流互感器：采用PC40Φ16磁環，Np：Ns1：Ns2＝1：60：60；
??? 雙向觸發二極管Dac：DB3；二極管Dst：BYV26C；
??? 熒光燈：YZ40RRT9；
??? 其它參數如圖2、圖3中所示。
??? 在實際電路中，用圖3中的電容C1、C2串聯取代圖2中的電容CB。圖5給出了相關的實驗波形。圖5a是交流輸入電壓、電流波形，可見輸入電流接近正弦。圖5b是開關S2的柵極電壓、漏源電壓和漏極電流波形，明顯可見，關斷時漏極電壓緩慢上升，為零電壓關斷，開通時，漏極電壓先降到零，然后觸發其開通，為零電壓開通。因此開關損耗較小。圖5c是熒光燈兩端電壓和流過熒光燈的電流波形。整個電路的功率因數為0．98，總諧波畸變率為8％，效率達到85％。
4　結束語
　　本文設計的兩級自激式電子鎮流器，不用任何控制集成電路和控制電源，具有結構簡單，器件少，成本低，功率因數高等優點，并且直流電壓穩定，不受電網電壓波動的影響，使諧振參數容易設計，保證了熒光燈工作在穩定工作點。如果加上預熱電路，將是一種較為理想的高性能電子鎮流器拓撲，具有很高的應用價值。

1　F．F．Tao，Q．Zhao and F．C．Lee．Self－OscillatingElectronic Ballastwith Dimming Control．IEEEPEFC，2001：1818－1823
2　J．Ribas etc．Low－CostHigh－Power－FactorElectronicBallastBasedontheSelf－Oscillating Buck－BoostInverter．IEEE APEC，2000：597－602
3　F．F．Tao and F．C．Lee．An Interleaved Single－StagePower－Factor－Correction Elect ronic Ballast．IEEE　APEC，2000：167～623