HID 灯电子镇流器中APFC 电路的设计.doc

HID 灯电子镇流器中APFC 电路的设计摘要：电子镇流器是一种电源变换装置，由于HID灯负载对电子镇流器的特殊要求而增加了其设计的复杂性。本文讨论了HID灯电子镇流器中APFC电路的设计及实验结果。高气压放电光源由于气体放电电流密度大、发光亮度高，习惯上被称为高强度气体放电（High Intensity Discharge）灯，简称HID 灯，广泛应用于广场、码头、车间、道路等室外照明环境中，在当今照明系统中占有重要的地位。但HID 灯电子镇流器仍处于研制阶段，未能得到广泛应用。因此，在低压放电灯电子镇流器的基础上研制适用于HID 灯的高性能电子镇流器对HID 灯的推广具有重大的现实意义1，可以达到进一步节能和提高照明效果的目的。由于HID 灯自身的负阻特性，决定了其必须和限流元件镇流器相串联才能稳定工作2。为了减小在限流元件中的能量损耗，HID 灯一般采用不消耗有功功率的电抗性元件电感做镇流器。本文讨论了HID灯电子镇流器中APFC电路的设计及实验结果。1 APFC 电路的原理APFC 电路置于桥式整流电路与滤波电解电容之间，实际上是一种DC- DC 变换器。APFC 电路主要有升压（Boost）、降压、升压降压和回扫四种类型。由于Boost型APFC电路在一定的输出功率下可以减小输出电流，从而可以减小输出滤波电容的容值和体积，故在电子镇流器中被广泛采用3。Boost 型APFC 电路的基本原理如图1 所示，主要由APFC控制芯片、功率开关管VT1、升压电感器L1、升压二极管VD5、输出滤波电容C1 及反馈环路所组成，其核心是APFC 控制芯片。APFC 电路的工作原理是基于升压电感L1 的电流与电压之间的物理关系。当开关管VT1 导通时，升压二极管VD5 截止，滤波电容C1通过负载放电。当VT1 由导通跃变为关断时，L1 产生的突变电势使VD5 正向偏置而导通，L1 中的储能经VD5 释放，对C1 充电。由于VT1 和VD5 交替导通，使整流电路输出电流经L1 连续流动。这就意味着整流二极管在交流电源电压的半个周期内，导通角趋于180。APFC 电路一般都采用双环反馈控制方法。内环反馈的作用是将全波整流输出直流脉动电压（实质上就是交流输入电压） 通过R1、R2 组成的电阻分压器采样输入到APFC控制芯片，以保证L1 的电流时刻跟踪输入电压按正弦规律变化。通过L1 的三角形高频电流的峰值包迹波正比于输入交流电压，所以L1 的平均电流呈正弦波形，这就意味着电源输入电流也呈正弦波形。外环反馈用作APFC 电路输出直流电压的反馈控制。直流输出电压被检测后输入到APFC 控制芯片，芯片输出PWM驱动信号调节功率开关的占空比，以使输出电压稳定。图2 示意了在VT1 的一个开关周期中电感电流的波形，它是一个线性上升、线性下降的三角波。在输入交流电压半周期内，输入电流将是一串峰值随输入电压变化的三角波。图3 为APFC 电路工作电压和电流的波形图，三角波电流的平均值是其峰值电流的一半，因此，它的波形是随输入电压按正弦变化而变化的。由于电路的输入平均电流波形与输入电压波形形状是相似的，又没有相移，电路的功率因数可以达到很高，而谐波失真很小。在采用有效的EMI 滤波电路后，电路中高频开关信号的泄露很低，故其电流总谐波失真THD 一般不会超过10%。2 电路设计利用芯片L6561 作为控制器的Boost 型APFC 电路如图4所示。APFC 电路的工作频率随输入交流电压和负载的变化而变化。功率开关管VT1 的关断时间取决于APFC 直流输出电压与输入电压之间的差值。为保证工作频率不降至可听见的音频范围之内并保证电路稳定工作，一般要求APFC 电路输出电压至少比输入电压峰值高15%以上。对于220V 的交流输入电压，APFC 电路的直流输出电压一般为400V。图4 中输入交流电经桥整流后变为310V 的直流电，作为Boost 型APFC 电路的输入。电容C3 用作高频滤波，降低输入电流的谐波含量。电阻R1 和R2 构成电阻分压网络，用以确定输入电压的波形和相位，电容C4 与电阻R1 构成一个RC 滤波器，用以除去引脚3 的高频干扰信号。变压器T1 的主边用作升压电感，副边用来检测电感电流的过零信号，传递到芯片的引脚5。电阻R4 和二极管VD2 起到让MOS 管VT1 慢导通快截止的功能。电阻R6 作为电感电流检测电阻，用以采样电感电流的上升沿（MOS 管电流）。电阻R7 和R8 构成电阻分压网络，形成输出电压的负反馈回路。电容C5 连接于芯片引脚1 和引脚2 之间，形成电压环的补偿网络。3 实验结果图5 给出了交流过零信号（L6561 引脚5）与开关管栅极驱动信号（L6561 引脚7）的实测波形图，下图为交流过零信号，上图为开关管栅极驱动信号。从图中可以看出当过零信号为零时，开关管导通。图6 给出APFC 电路的输出电压（400V）实测波形，从图中可以看出，虽然波形存在一定的纹波，但输出电压稳定，达到了设计要求。随着数字技术和数字控制芯片的不断完善和发展，数字化控制在电子镇流器中的应用正越来越显示其优越性。得益于数字控制电路的强大功能，我们能够在不增加其它电路的基础上增加多项控制功能，使得采用一块数字控制芯片通过编程就能够完成调光、开路保护、短路保护、启动时序控制、恒功率控制、声谐振抑制、寿命检测、点火信号控制等一系列功能，因此电路结构更为简单，集成度更高，可靠性也可以相应地得到提高。参考文献1倪海东,庚鸿.绿色照明控制技术综述.绿色照