一種新穎的低價單級電子鎮(zhèn)流器

周成虎， 甕嘉民, 李松濤

(河南工程學(xué)院 電氣信息工程系， 河南 鄭州 451191)

對于額定電壓為220 V的單管熒光燈電子鎮(zhèn)流器,其有源功率因數(shù)校正一般采用Buck-Boost升降壓型電路.該類電子鎮(zhèn)流器通常由兩級構(gòu)成，即在自激振蕩變換級電路前增加一個Buck-Boost有源功率因數(shù)校正級電路，兩級電路各需要一個單獨的控制電路[1-2].盡管市場上有許多現(xiàn)成的集成控制電路可以使用，但兩級電路元器件數(shù)量較多、性價比低是不能回避的事實.

LCC串并聯(lián)諧振變換電路與Buck-Boost有源功率因數(shù)校正電路相結(jié)合就構(gòu)成了單級電子鎮(zhèn)流器電路，如圖1所示.圖中電路的共用開關(guān)管Q2不僅要承受Buck-Boost有源功率因數(shù)校正電路和LCC串并聯(lián)諧振變換電路的最大電壓，還要負載輸入和輸出電流.

1 單級電子鎮(zhèn)流器主電路分析

圖1為本文給出的單級電子鎮(zhèn)流器電路圖，一個開關(guān)周期可以分為兩個工作階段，各工作階段的等效電路如圖2所示.

圖1 單級電子鎮(zhèn)流器電路圖Fig.1 The topology of single-stage electronic ballast

在工作階段Ⅰ，開關(guān)管Q2導(dǎo)通，電源電流流過二極管D3(或D4)、Q2、二極管D6、電感LP、二極管D2(或D1)，同時電容CF也經(jīng)過Q2、二極管D6、電感LP放電，電感LP儲能；電容CA放電，電流經(jīng)過電容CP、電容CS、電感LS、二極管D7、Q2.電容CA在放電過程中對CS充電.當(dāng)電容CS充電結(jié)束時，開關(guān)管Q2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止，該工作狀態(tài)結(jié)束.

在工作階段Ⅱ，開關(guān)管Q1導(dǎo)通，電源電流流過二極管D3(或D4)、電容CF、二極管D2(或D1)，向CF充電；電感LP釋放能量，電流經(jīng)過二極管D5、電容CA、二極管D6，向CA充電；電容CS放電，放電電流經(jīng)過電容CP、開關(guān)管Q1、電感LS.當(dāng)電容CS放電結(jié)束時，開關(guān)器件Q1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止，該工作階段也結(jié)束.

(a)工作階段Ⅰ (b)工作階段Ⅱ圖2 主電路的工作階段Fig.2 Main circuit work stage

在該電路中，電容CF較小，濾波作用不大，整流二極管D1～D4的工作電流中高頻分量大，采用普通二極管1N4007時的反向恢復(fù)時間與開關(guān)器件Q2(MOS管MTP6N60)的反向恢復(fù)時間懸殊，故整流二極管D1～D4選用超快恢復(fù)二極管HER107，電路的效率也有所提高.

2 振蕩變換部分的工作原理

LCC串并聯(lián)諧振變換電路是一個半橋振蕩變換器，它為燈管提供了足夠高的啟動電壓，在穩(wěn)態(tài)時峰值因數(shù)低是燈管壽命長的基本條件[3].

LCC串并聯(lián)諧振變換電路的振蕩輸入電流落后輸入電壓一個角度φ，所以振蕩變換器開關(guān)處于零電壓工作狀態(tài)(ZVS)，開關(guān)損耗低，兩個開關(guān)管Q1與Q2的控制脈沖之間的死角φd可在0和φ之間變化，但輸入電流和輸入電壓波形不變，仍保持零電壓工作狀態(tài).可以在不改變振蕩變換器運行條件的同時利用這個特性在最小值

(1)

在這里，δ是指一個開關(guān)周期的占空比，δ=Ton/T；Ton是指開關(guān)器件Q2的導(dǎo)通時間；T是指開關(guān)周期和最大值0.5之間調(diào)節(jié)開關(guān)器件Q1與Q2的占空比.

通過在這個范圍內(nèi)調(diào)節(jié)開關(guān)器件Q2的占空比可以控制Buck-Boost有源功率因數(shù)校正級電路工作點，同時不影響振蕩變換部分，這個特性可用于調(diào)節(jié)發(fā)送到燈具的功率和電路的其他部分.

3 觸發(fā)電路及其分析

本文給出的單級電子鎮(zhèn)流器的觸發(fā)電路如圖3(a)所示.該電路用一個飽和變壓器從LCC串并聯(lián)諧振變換電路中獲取電源，由于穩(wěn)壓管D11的穩(wěn)壓作用，CB兩端的電壓保持在12 V，對QC2和QC3供電.當(dāng)飽和變壓器副邊電壓高于穩(wěn)壓管D11兩端的電壓時，QC1導(dǎo)通，QC2飽和導(dǎo)通，QC3截止，觸發(fā)信號UGS為高電平；反之，QC1與QC2截止，QC3飽和導(dǎo)通，觸發(fā)信號UGS為低電平0.3 V(QC3集電極與發(fā)射極飽和壓降為0.3 V).QC2和QC3構(gòu)成推挽電路.穩(wěn)壓二極管D12起嵌位觸發(fā)信號UGS的作用.

由于開關(guān)器件Q1與開關(guān)器件Q2的負載不同，在相同的觸發(fā)信號下，用同一種觸發(fā)電路觸發(fā)這兩個開關(guān)器件，得到的觸發(fā)信號不同.開關(guān)器件Q2的觸發(fā)信號相對較差，其上升沿和下降沿變化速度緩慢.

圖3 觸發(fā)電路與仿真波形Fig.3 Trigger circuit and simulation waveform

從圖3(b)的仿真結(jié)果可以看出，開關(guān)器件Q2的觸發(fā)信號的下降沿出現(xiàn)的尖峰電壓被穩(wěn)壓二極管D12嵌位，開關(guān)器件Q2的柵源極觸發(fā)信號更加穩(wěn)定，壽命比以前的電路[4]有提高；從圖3(c)的仿真結(jié)果可以看出，如果觸發(fā)電路去掉穩(wěn)壓二極管D12，觸發(fā)信號UGS的仿真波形在下降沿出現(xiàn)的尖峰電壓超過20 V，實驗中偶見開關(guān)器件Q2被擊穿的現(xiàn)象.

4 實驗結(jié)果

實驗電路的電源電壓為220 V、50 Hz，燈管選用飛利浦36 W圓形日光燈.電路的輸入電壓波形如圖4所示.燈端電壓頻率為37 kHz,效率為90%，功率因數(shù)大于0.99.

圖4 實驗電路的輸入電壓波形Fig.4 Experimental circuit’s input voltage

5 結(jié)論

與兩級有源功率因數(shù)校正電路相比，本文給出的電路沒有使用專用的集成電路，總原件數(shù)較少；與以前的單級有源功率因數(shù)校正電路相比，效率進一步提高，開關(guān)器件的損耗降低，壽命更長.

參考文獻：

[1] Ribas J, Alonso J M, Calleja et al. Low-cost high-power-factor electronic ballast based on the self-oscillating buck-boost inverter[J].Proceedings of the IEEE APEC，2000, 1(1):597-602.

[2] Ribas J, Alonso J M, Calleja A J, et al.Low cost single-stage electronic ballast based on a self oscillating resonant inverter integrated with a buck-boost PFC circuit[J].IEEE Trans Nd Electron, 2001, 48(6):1196-1204.

[3] Ribas J, Alonso J M, Calleja A J, et al.Single-stage high-power-factor self oscillating electronic ballast for fluorescent lamps with rapid start[J].Proceedings of the IEEEAPEC，2002(2000):15-20.

[4] Wu T F, Chiang M C， Liu Y C.Single-stage dimmable electronic ballast with unity power factor[J].IEEE Trans Ind Electron，1996, 152(1):2141-2148.