臨界斷續(xù)模式PFC在電子鎮(zhèn)流器中的應(yīng)用

臨界斷續(xù)模式PFC在電子鎮(zhèn)流器中的應(yīng)用

摘要：介紹了一種臨界斷續(xù)導(dǎo)電模式的功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)，它應(yīng)用Boost型電路，主要特點(diǎn)是通過控制固定開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，使電感電流呈臨界斷續(xù)的三角波變化，其平均值隨正弦波變化，這種功率因數(shù)校正技術(shù)可以使電路的功率因數(shù)達(dá)到0.99以上，用在電子鎮(zhèn)流器中可以提高電子鎮(zhèn)流器的性能。

關(guān)鍵詞：臨界導(dǎo)通；功率因數(shù)校正；電子鎮(zhèn)流器

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1??? 引言

??? 隨著高頻開關(guān)電源的發(fā)展，電子鎮(zhèn)流器以其效率高，無頻閃，體積小等優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛的認(rèn)同。它將取代傳統(tǒng)的鐵心式電感鎮(zhèn)流器,成為與熒光燈配用的新型鎮(zhèn)流器件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，照明用電約占人類總發(fā)電量的20％，電子鎮(zhèn)流器的推廣使用，將可以使照明用電節(jié)約20％以上，因此，高性能電子鎮(zhèn)流器的研究和生產(chǎn)受到了國內(nèi)外的廣泛重視。

??? 就高性能電子鎮(zhèn)流器而言，最為關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)是它的電源進(jìn)線電流的總諧波含量大小及線路功率因數(shù)的高低。如果電子鎮(zhèn)流器電源進(jìn)線電流的諧波含量大，就會給電網(wǎng)帶來污染，至于電子鎮(zhèn)流器的線路功率因數(shù)的高低也會直接關(guān)系到電網(wǎng)的利用效率。為了減少對交流電網(wǎng)的污染，目前國內(nèi)外已經(jīng)推出了一些限制電流諧波的標(biāo)準(zhǔn)，如國際電工委員會(IEC)根據(jù)國際上電子鎮(zhèn)流器的發(fā)展情況，幾年前成立了專門的技術(shù)小組對有關(guān)技術(shù)問題和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究，并已頒布了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)IEC1000-3-2 Class C。在IEC對AC/DC電源規(guī)定的IEC1000-3-2四類諧波標(biāo)準(zhǔn)（ClassA，B，C，D）中，對照明用的電子鎮(zhèn)流器的要求是最為嚴(yán)格的，因此提高線路的功率因數(shù)是做好高性能電子鎮(zhèn)流器的關(guān)鍵之一。

2??? 幾種工作模式的比較

??? 有源功率因數(shù)校正（APFC）是抑制電力電子裝置對電網(wǎng)諧波污染的最有效的措施，根據(jù)電感電流是否連續(xù)，APFC電路的工作模式分為連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）、斷續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）和介于兩者之間的臨界斷續(xù)導(dǎo)電模式（DCM boundary）。

??? 在CCM工作模式下，輸入電流及輸出電壓紋波都比較小，但控制較復(fù)雜，開關(guān)損耗較大，制作成本也比較高。這種導(dǎo)電模式一般適用于大功率、大電流的產(chǎn)品中，對于普通的熒光燈電子鎮(zhèn)流器顯然是不合適的。

??? DCM技術(shù)有很明顯的缺點(diǎn)，輸入電流紋波比較 大 ， 因 而 開 關(guān) 的 損 耗 很 大 ， 使 開 關(guān) 的 使 用 壽 命 降 低 ； 輸 出 電 壓 的 紋 波 也 比 較 大 ， 對 負(fù) 載 有 一 定 的 影 響 。 因 此 它 一 般 只 適 合 對 功 率 因 數(shù) 要 求 不 高 、 功 率 較 小 的 場 合 。

??? 在臨界斷續(xù)導(dǎo)電模式（DCMBoundary）下如圖1所示，通過加入相應(yīng)的控制電路，使得輸入電流的峰值隨正弦波值的變化而變化，其功率因數(shù)可以非常高，達(dá)到95％是很容易的。與前兩者相比，臨界斷續(xù)導(dǎo)電模式也有其自身的特點(diǎn)：與CCM技術(shù)相比，它的輸入電流，輸出電壓的紋波比較大，因而對開關(guān)的沖擊較大，同時(shí)開關(guān)的導(dǎo)通損耗也比較大，但它的電路結(jié)構(gòu)比較簡單，比較容易控制，成本也比較低；與DCM技術(shù)相比，它的輸入電流，輸出電壓的紋波比較小，功率因數(shù)也比較高，但電路結(jié)構(gòu)要復(fù)雜些，控制也相對較復(fù)雜，成本比較高。

圖 1??? 臨 界 導(dǎo) 通 模 式 下 電 感 電 壓 和 電 流 波 形

??? 根據(jù)實(shí)際情況，本文采用臨界導(dǎo)通模式設(shè)計(jì)電子鎮(zhèn)流器的功率因數(shù)校正電路。

3??? 臨界導(dǎo)通模式功率因數(shù)校正的基本原理

??? 臨界導(dǎo)通模式是一種固定導(dǎo)通時(shí)間的功率因數(shù)校正模式，本文采用Boost型拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)這種電路，基本原理如圖2所示。它的主要特點(diǎn)是：固定導(dǎo)通時(shí)間控制方法，會使峰值電感電流包絡(luò)線跟隨AC輸入電壓v_in的變化軌跡，根據(jù)幾何學(xué)上的關(guān)系，平均輸入電流I_in等于峰值三角形電感電流的一半。隨著前一個(gè)周期的結(jié)束，ZCS迫使一個(gè)新周期的開始。由于電感電流回落到零后沒有死區(qū)時(shí)間存在，因而導(dǎo)致輸入電流i_in連續(xù)流動(dòng)，并按正弦規(guī)律跟蹤AC輸入電壓v_in的瞬時(shí)變化軌跡，從而使線路功率因數(shù)趨于1。

圖 2??? Boost型 電 路 基 本 原 理 圖

??? 流過L的電流即橋式整流器的輸出電流，實(shí)際上也代表橋式整流器的輸入電流i_in。圖1為電感L電流i_L(t)波形示意圖。由圖1可知，電感電流成三角波。在開關(guān)開通期間，電感電流從0沿向上的斜坡增加到峰值；在開關(guān)關(guān)斷期間，電感電流從峰值沿斜坡下降到0。只要電感電流一跌落到0，下一個(gè)開關(guān)周期就開始。電感峰值電流I_LP總是為平均輸入電流的2倍。

??? 顯而易見，式（1）的關(guān)系成立

??? I_inP=??? （1）

式中：I_inP為交流輸入電流峰值；

????? I_LP為在AC輸入電壓上的電感峰值電流。

??? 最大峰值交流輸入電流I_inPmax由式（2）決定

??? I_inPmax=??? （2）

式中：P_o為APFC預(yù)調(diào)整器輸出功率（W）；

??????????? η為變換器效率；

????? V_acL為最低交流輸入電壓有效值（V）。

??? 變換器的電感量可用式（3）近似確定

??? L=??? （3）

式中：T_s=1/f_s，開關(guān)的工作周期（s），取中值；

????? V_o為APFC預(yù)調(diào)整器輸出電壓（V）。

4??? 設(shè)計(jì)實(shí)例以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

??? 根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)輸出功率為72W的電子鎮(zhèn)流器。由于用專用芯片——有源功率因數(shù)校正控制器構(gòu)成的功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)簡單，外圍電路元器件少，這就大大縮小了電路的體積，降低了系統(tǒng)的成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。因此，控制器采用ST公司最新的APFC芯片L6561，它包含許多高性能的控制模塊和保護(hù)特性，采用電流、電壓雙環(huán)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電路的臨界斷續(xù)導(dǎo)電模式。其工作原理框圖如圖3所示。

圖3??? 用L6561實(shí) 現(xiàn)PFC的 原 理 框 圖

??? 該電路的參數(shù)為：額定輸出功率P_o=72W，交流輸入電壓U_in=90～265V，頻率f=50Hz，輸出電壓U_o=400V，開關(guān)頻率f_s=20～50kHz。

??? 電子鎮(zhèn)流器的第二級采用半橋式電路，用普通的并聯(lián)諧振電路作為熒光燈的啟動(dòng)及工作電路。整個(gè)電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4??? 電 子 鎮(zhèn) 流 器 電 路 結(jié) 構(gòu)

??? 通過對參數(shù)的合理設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)所得主要波形如圖5－圖7所示。

圖5??? 輸 入 電 壓 、 電 流 波 形(V:100V/div,I:1 A/div)

圖6??? 電 感 電 流 波 形(I:0.5 A/div)

圖7??? 熒 光 燈 燈 電 流 波 形(I:0.4 A/div)

??? 由圖5可以看到該電路對電網(wǎng)的諧波污染可基本忽略，功率因數(shù)已達(dá)到0.99以上。

??? 由圖6可以看到電感電流波形的包絡(luò)線是理想的正弦半波，充分體現(xiàn)了臨界斷續(xù)導(dǎo)電模式的特點(diǎn)。

??? 圖7為熒光燈電流波形，在高頻下，熒光燈可近似為一電阻，因此在諧振電路中的電流近似正弦波。

5??? 結(jié)語

??? 以L6561為核心的功率因數(shù)校正器，通過合理的參數(shù)設(shè)計(jì)，可使功率因數(shù)達(dá)到0.99以上，效率可達(dá)92％。把這種技術(shù)用于電子鎮(zhèn)流器裝置中，可以大大減小對電網(wǎng)的污染，提高電源效率。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，這一應(yīng)用必將得到推廣。