電子鎮(zhèn)流器功率因素校正電路APFC的分析

摘要  針對熒光燈電子鎮(zhèn)流器和高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器中功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展，總結(jié)了典型的有源功率因數(shù)校正應(yīng)用電路，分析了電路的基本工作原理，并在高壓鈉燈鎮(zhèn)流器中得到了應(yīng)用。
關(guān)鍵詞 電子鎮(zhèn)流器   功率因數(shù)  校正APFC

The Active Power Factor Correction Applicationin Ballast

Cheng Weibin

(Xi＇an petroleumInstitute，Xi＇an，710065）

　　Abstract Withthetechnicaldevelopmentofactive powerfactorcorrection，somecircuitsintheballastsandits operation areintroduced，which have been usedin high pressure sodiumlamp．
Key words ballast；powerfactorcorrection；APFC
1引言 
　　在供電線路中，用電設(shè)備的低功率因數(shù)而引起較大的電網(wǎng)諧波和波形畸變，對電網(wǎng)和其他用電設(shè)備危害很大，隨著對供電質(zhì)量要求的提高和集成電路技術(shù)的發(fā)展，功率因數(shù)校正技術(shù)（簡稱PFC技術(shù)）得到廣泛的應(yīng)用。PFC技術(shù)分為無源PFC技術(shù)和有源PFC技術(shù)。
2 無源PFC電路  
　　無源PFC電路可分為無源諧波濾波逐流電路和高頻能量反饋式無源諧波濾波電路。
    無源諧波濾波逐流電路如圖1所示，其工作原理基于降低輸出直流電壓，在每一個半周期內(nèi)，將交流輸入電壓高于直流輸出電壓的時間拉長，整流二極管的導(dǎo)通角就可以增大，電源電壓過零的死區(qū)時間則縮短，其電流波形趨于連續(xù)，包絡(luò)線趨于正弦波，這樣交流輸入電流追逐電源電壓瞬時變化軌跡，可將電路的功率因數(shù)提高到0．9以上，電源總諧波失真度THD降低到30％以下。

　　高頻能量反饋式無源諧波濾波電路利用開關(guān)電源或電子鎮(zhèn)流器中的高頻振蕩能量控制電容充電過程，可使功率因數(shù)提高到0．95，將THD降低到20％。

　　無源PFC技術(shù)電路簡單，提高了功率因數(shù)，但THD仍大于15％，波峰比也較大。隨著集成芯片和有源PFC技術(shù)的發(fā)展，無源PFC電路在國外已被有源PFC電路替代。

3  有源PFC電路

　　有源功率因數(shù)校正PFC電路主要有升壓型、降壓型、升壓－－降壓型和回掃型等
基本電路形式，其中升壓型有源PFC電路在一定輸出功率下可減小輸出電流，減小輸
出濾波電容的容值和體積，故在電子鎮(zhèn)流器中廣泛應(yīng)用。升壓型有源PFC電路在控制方法上，有電感電流斷續(xù)傳導(dǎo)模式和峰值電流控制模式。其電路原理圖如圖2所示。

電路工作原理如下：Q1導(dǎo)通時，D5截止，電容C1向負(fù)載放電；Q1截止，電感L1儲能經(jīng)D5對電容C1充電。由于Q1和D5交替導(dǎo)通，使整流器輸出電流經(jīng)電感L1連續(xù)。這樣輸入電流也連續(xù)。圖中，R1取樣輸入電壓，保證通過電感L1的電流跟隨輸入電壓按正弦規(guī)律變化，通過L1的高頻電流包絡(luò)正比于輸入電壓，其平均電流呈正弦波形，使輸入電流呈正弦波；R2取樣輸出電壓，控制APFC控制器的輸出
占空比，穩(wěn)定輸出電壓。

　　目前，APFC專用芯片很多，在電子鎮(zhèn)流器中應(yīng)用廣泛，具體電路不做詳細(xì)介紹，可參閱參考文獻(xiàn)。

4  利用自振蕩半橋PWM驅(qū)動器設(shè)計的APFC電路
   在某些自振蕩半橋PWM驅(qū)動器電路中，可以利用PWM驅(qū)動器輸出固定頻率的
脈沖來作APFC控制，這里介紹兩種典型電路。

4．1利用自振蕩輸出波形控制的APFC電路

   電路原理圖如圖3所示。

      升壓電感L1、二極管D5、電容C2和開關(guān)管Q3等組成APFC電路。由于PWM驅(qū)動器U1輸出脈沖的頻率和占空比都是固定的，Q3導(dǎo)通時，D5截止，C2向負(fù)載放電；Q3截止時，電感L1產(chǎn)生的突變電勢使D5正向偏置而導(dǎo)通，電感L1通過D5向C2和負(fù)載釋放儲能，此時整流二極管電流經(jīng)電感L1連續(xù)，使輸入電流波形連續(xù)，呈正弦波形，可將線路功率因數(shù)提高到0．95以上，使輸入電流總諧波失真度（THD）降低到10％以下。

4．2  利用自振蕩PWM驅(qū)動器的定時電路

　　圖3利用自振蕩PWM驅(qū)動器輸出波形控制的APFC原理電路圖圖4利用自振蕩PWM驅(qū)動器的定時器設(shè)計的APFC原理電路圖和波形圖設(shè)計的APFC電路自振蕩半橋PWM驅(qū)動器的振蕩器是一個類似555的定時振蕩器，CT端為鋸齒波，可以用一電路產(chǎn)生同頻、占空比可調(diào)的APFC電路。其原理電路如圖4所示。

　　自振蕩PWM驅(qū)動器的CT端波形為鋸齒波，送到比較器U2的正端；將直流輸出
電壓分壓送到比較器U2的負(fù)端。當(dāng)C點的電壓小于D點時，E點為高電平，Q4導(dǎo)通；
當(dāng)B點為高電平時，F(xiàn)點為高電平，Q3導(dǎo)通，電感L1儲能，電容C2向后級供電。當(dāng)C
點電壓高于D點時，E點為低點平，不論F點電平狀態(tài)，Q4截止，Q3截止，電感L1經(jīng)
D5向C2和后級釋放儲能。這樣二極管電流經(jīng)電感L1連續(xù)，各點相關(guān)波形如圖4（B）所示。
    從波形上可以看出F點波形脈沖寬度小于A或B，而且可調(diào)，但小于50％；通過
調(diào)整R1、R2的分壓比，可調(diào)整輸出電壓和輸出功率，構(gòu)成可調(diào)輸出電路，這在開關(guān)電源和電子鎮(zhèn)流器中有較廣泛的應(yīng)用。

5  利用TOPSwitch開關(guān)構(gòu)成的APFC電路
　　TOPSwitch是一種離線式PWM開關(guān)，其內(nèi)部集PWM控制器和MOSFET開關(guān)管為
一體。由其構(gòu)成的APFC電路如圖5所示。

　　在圖5中，控制器U1、電感L1、二極管D5、D6和電容C1構(gòu)成APFC電路，當(dāng)控制
器U1的C端（控制端）達(dá)到設(shè)定電壓時，U1被啟動。電阻R1取樣輸入瞬時電壓，電阻
R2取樣輸出電壓，U1的控制端輸入電流影響輸出占空比，其占空比與輸入電流成反
比，隨輸入電壓線性變化。通過U1的調(diào)整，輸入平均電流呈正弦波形，且與輸入電壓保持同相位，是一種固定頻率電流斷續(xù)模式的APFC電路。可將線路功率因數(shù)提高到0．98左右。

    此外，還可利用緊湊型自振蕩半橋PWM驅(qū)動器（如IR51HXX系列）構(gòu)成類似圖
4和圖5的APFC電路。緊湊型自振蕩半橋PWM驅(qū)動器是集緊湊型自振蕩PWM電路
和兩只MOSFET管于一身，具有電路簡單、緊湊的特點，只適合于節(jié)能燈和小型開關(guān)電源電路。

6  結(jié)束語
    有源功率因數(shù)校正技術(shù)應(yīng)用在高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器上，使其輸入側(cè)的功率因數(shù)提
高到0．99以上，將總諧波失真度降低到10％以下，反饋到電網(wǎng)的諧波大為減少，起
到了節(jié)約能源、降低消耗和減少電網(wǎng)污染的作用。