高功率因数荧光灯电子镇流器设计

1、应用设计四、 高功率因数荧光灯电子镇流器设计PWM型AC/DC和DC/AC变换电路综合应用专题照明技术与我们日常生活息息相关，在工厂、办公室、图书馆、餐厅、学校、商店等场所，照明技术为我们提供了宜人的工作、生活环境。在现代照明技术中，电子镇流器由于其效率高、无频闪、无噪声、体积小等优点得到了广泛应用，此外，电子镇流器还能够实现调光，功率因数校正、同时驱动多支灯管等功能。照明系统依赖于镇流器与灯源的协同工作，了解灯源的工作特性是设计电子镇流器的前提。一、荧光灯的结构和工作特性1、荧光灯的结构组成家庭及工业照明用荧光灯（俗称日光灯）是一种低压汞蒸汽放电灯，其大部分光是由放电产生的紫外线激发管壁上的

2、荧光粉涂层而发射出来的。附图5-1是直管形荧光灯结构示意图。荧光灯的核心部分是管形玻璃管和灯丝，其中，玻璃电极附图5-1 直型荧光灯管的结构示意图管的内壁上涂有荧光粉。管内填充有惰性气体（如氩）和低气压汞蒸汽。在灯两端各有一个电极，电极通常由钨螺旋做成，上面涂有热电子发射材料，人们将这种涂有电子发射材料的灯丝称为阴极。灯丝两端与被称为导丝的支架相连接，导丝又与两个引出电极相连。导丝和喇叭管等组成芯柱，其作用是保证电导线与玻璃壳进行气密性封接。荧光灯工作时，放电发生在低气压的汞蒸汽和惰性气体的混合气中，产生很强的253.7nm的紫外辐射，经荧光粉转换成可见光。2、荧光灯的主要特性与其它一些气体放

3、电灯一样，荧光灯具有负阻抗特性，典型的荧光灯电压电流（V-I）特性曲线如附图5-2所示。当施加于荧光灯两端的电压低于触发启动电压（Ustrike）时，灯呈高阻关断状态，灯中没有电流通过，一旦外加电压达到了灯的点火电压值，灯则导通，并且其两端电压立即降低，灯电流增大，呈现负阻特性。由于外接镇流器的限流作用，使灯电流稳定在额定值，并且灯两端的导通电压降（Uon）也基本保持不变。荧光灯的触发启动电压和正常工作时灯两端的电压降与灯管长度、灯管直径、灯管内填充气体的种类、气压、温度以及电极种类（是冷阴极还是热阴极）等因素有关。荧光灯点火启动电压范围一般为500V1200V，灯点燃后稳定工作时的灯端的电压

4、降一般为40V110V。附图5-2 荧光灯电压电流特性曲线 附图5-3 荧光灯电压（或阻抗）曲线附图5-3是荧光灯从启动后进入稳态工作时的电压（或阻抗）曲线。从图中可以看出，灯在启动点火时的电压（或阻抗）很高，在点火之后，灯两端的电压急剧下降，尔后略有升高，最后进入稳态工作状态，在这一过程中，阻抗曲线与电压曲线是一致的。荧光灯在稳态条件下，可以等效为一个恒定不变的电阻。3、荧光灯工作频率对光效的影响电感式荧光灯一般工作在工频50 Hz或60Hz，当荧光灯工作的频率从50Hz增加到15kHz时，发现灯的光效也逐渐增加，然后基本保持不变。所以对普通荧光灯而言，考虑到材料、元件等成本方面的因素，工作

5、频率以2050kHz为好，这也是目前荧光灯电子镇流器的工作频率范围。在对荧光灯的研究中，当荧光灯高频工作时，灯的特性有以下变化特点：（1）当工作频率升高时，灯的特性逐渐变成电阻性的，灯的电压和电流波形都接近正弦波；（2）在工作频率大于15kHz后，灯的光效比50（60）Hz时明显提高。二、荧光灯电子镇流器的电路结构典型的荧光灯电子镇流器通常包括整流电路和逆变电路两大部分。简易的电子镇流器一般直接采用电容滤波单相桥式不控整流电路作为输入部分，而高性能的电子镇流器一般采用单相PFC电路（PWM型AC/DC变换）作为输入部分；逆变部分多用半桥电路，逆变电路的输出接灯电路网络。灯电路网络的作用是提供灯

6、启动的高压、维持点燃后的灯电流在合适的范围。附图54示出了典型高性能电子镇流器的结构框图。三、高性能荧光灯电子镇流器电路设计根据前面的介绍，高性能电子镇流器的设计包含了单相PFC电路设计和逆变电路设计两大部分工作。无论是单相PFC电路还是逆变电路都有许多种电路设计方案，附图55给出了以MC33262和IR21531芯片为核心的一种设计方案，下面以该方案为例介绍电子镇流器的设计方法。1、单相APFC电路的设计单相PFC电路有很多专用的控制芯片，如UC3854/3858、IR1150、MC33262/34262、L6561等。不同芯片的控制原理、设计要求各不相同，本节以MC33262/34262为

7、例介绍单相PFC电路的设计，其他电路的应用设计可以参考相关的资料。MC33262系列PFC控制芯片为8脚双列直插塑封（亦有表面贴装封装）器件，内部含有自起动定时器、乘法器、零电流检测器、图腾柱驱动输出（0.5A）以及过压、欠压和过流等保护电路，内部结构简要框图见附图5-6。MC33262系列PFC控制芯片的最大特点是采用临界导电控制模式，这种控制模式的特点是储能电感中的电流为零时功率管才能导通，这样就大大减小了开关的应力，同时也减小了二极管恢复时间引起的开关损耗，对二极管的恢复时间要求也较低，选附图 5-6 MC33262内部结构简要框图用普通的快恢复二极管即可满足要求；另外，由MC34262

8、构成的功率因数校正电路结构简单、外围电路元器件少，缩小了电路的体积并降低成本，同时也提高了系统的可靠性。参考附图5-5 的结构，APFC部分电路设计如下：（1）进线滤波电路该部分电路的功能主要是抑制电力电子开关电路的高频共模、差模干扰（又称EMI滤波器），一般分为高频差模滤波器和共模滤波器两部分，如图55所示，L1L3、C1C5构成了EMI滤波器。L1、L2的电感值一般在几百微亨几个毫亨之间，C1通常取0.1F左右，C2C5一般取2200pF4700pF，L3一般在0.3mH40mH之间。（2）桥式整流电路整流电路输入电压为工频正弦，流过的电流也近似为工频正弦，输入功率因数约为1。因此，二极管

9、VD1VD4承受的最高电压为输入最大相电压峰值，依据逆变输出的功率和估算的电路效率可以大致计算出输入电流的有效值，这样就很容易确定输入整流二极管的参数要求。假定输入交流电压的最大峰值为Uacpkm、灯负载的功率为PH、输入输出的变换效率为、输入最低交流电压有效值为Uacmin，则整流二极管反向重复峰值电压为 URRM=(1.52.0)Uacpk m整流二极管正向通态平均电流为 IF(AV=)(1.52.0)（3）C6的选择C6起高频滤波作用，根据器件数据手册的典型设计，典型参数取值范围为1F2 F，功率小时可以适当减小。电容承受最高电压为输入最大相电压的峰值，以此可以确定电容C6参数，一般可以

10、选择耐压为250VAC以上的薄膜电容或瓷片电容。（4）R1与R2的选择乘法器的输入电压范围最小为02.5V，应保证输入为最大相电压的峰值时乘法器的输入在正常输入电压范围，即要求 PH 1.57hUacmin2.5V³UacpkmR2R1+R2R1与R2数据的具体选择范围，可以参考数据手册的典型设计。（5）R3与C7的选择R3与C7构成了启动电路，依据器件的数据手册，启动时最大电源电流Iccmax=0.4mA，运行时Iccmax=12mA。考虑到电容C7的储能作用，因此流过R3的最大电流可以选在两者之间，参考数据手册的典型设计可取R3=100k，C7=100F。（6）C8的选择由MC3

11、3262/34262芯片资料，内部误差放大器的跨导gmmin=80mho，其带宽为 BW=gm 2C8一般设置BW=20Hz左右，可以选取C8=0.68F。（7）R7与R8的选择R7与R8用于设定APFC输出电压，MC33262/34262芯片电压反馈输入典型阈值VFB=2.5V，它由芯片内部提供的基准电压Vref确定。假定APFC输出电压为Ud，则R7与R8满足2.5V=R8Ud R7+R8对于单相交流输入，通常设定Ud为400V左右，参考数据手册的典型参数，一般可取R8=10k，R7 =1.6M。（8）VD6的选择假定APFC输出电压为Ud，当VD6关断时，承受的反向电压约为Ud，以此可以

12、确定二极管的反向重复峰值电压。由于APFC输出直流电流可以由输出功率方便确定，对于电子镇流器这样的小功率的应用，可以直接利用输出直流电流保留一定的余量来作为VD6的有效值电流，以此选择二极管的电流容量。二极管的反向重复峰值电压为 URRM=(1.52.0)Ud二极管的正向通态平均电流为 IF(AV=)(1.52.0)PH 1.5h7Ud以MC33262/34262控制芯片构建的APFC电路属于变频工作，输入电压的变化范围不同，电路的工作频率变化范围也不同，其变化范围大致为25kHz50kHz，一般可以选择反向恢复时间不大于100ns的快恢复二极管。（9）R4与VD5的选择R4的作用是电感电流的

13、过零检测，电感T1实际是一个反激式变压器。电流过零检测端的输入电压钳位范围为-0.7V6.7V，内部滞环比较器的两个阈值点典型值为1.4V和1.6V，当R4输入电压小于1.4V时，认为电感电流过零。R4的实际作用是对输入电压信号的限流，电流过零检测引脚的极限电流为-10mA50mA，参考数据手册的参数选择标准，可以设定电流过零检测端输入峰值电流为1mA左右来选择R4的阻值，即R4=22k左右。VD5的作用是为芯片工作提供持续的电源电流，由于R3与C7仅能提供芯片启动工作，持续工作的能量必须由VD5来提供，由于整个控制电路功率很小，因此VD5可以选择1A左右的快恢复二极管。参考数据手册的参数选择

14、标准，T1原、副边的匝比典型值在12左右，考虑原边的最大输入电压值，因此VD5可以选择100V左右的反向重复峰值电压。（10）C9、R5与R6的设计R6是电流反馈采样电阻，C9、R5的作用是抑制电流波形中的尖刺。根据MC33262/34262芯片资料，R6的选择可以按如下计算：流过电感L1的最大峰值电流ILpkmax为ILpkmax=22Pd22PH »UacminhUacmin电流采样输入电压Ucs的阈值最小为1.3V，依据资料推荐，正常反馈电压值取1V左右，则有ILpkmaxR6=Ucs=1VC2、R5的选取可参考资料典型电路的设计，可取C2=1000pF，R5=330。（11）

15、VT1的选择VT1关断时承受电压约为Ud，以此可以选择MOSFET的漏源击穿电压U(BR)DSS。U(BR)D=(1.52.0)Ud SS准确计算流过MOSFET的最大电流有效值比较复杂，通常可以根据流过电感T1的最大峰值电流ILpkmax来近似估算，考虑到VT1占空比变化范围可以在01之间，因此漏极连续直流电流选择如下：ID=(1.52.0)ILpkm a（12）C10与C12的选择假定APFC电路输出允许的直流纹波峰值为Ud，则APFC电路输出滤波电容选择要求为C³PHPd 2w0Ud´DUd式中 Pd»h为APFC电路输出功率，0工频电角频率。C10=C12

16、=2C同时要求满足 C10=C12>>C15（13）APFC电感选择依据MC33262/34262芯片资料，电感T1的选择如下：t(初级绕组电感 L1=Ud2-Uacm)ihnUacmin2 2UdPd式中 Pd为APFC电路输出功率；Ud为APFC电路输出电压；Uacmin为电网输入最小交流电压有效值；为电路工作效率；t为开关周期，选择如下：宽输入电压范围时（85V265V）取t = 40s窄输入电压范围时（184V276V）取t = 20s电感T1初、次级的匝比在12左右。2、逆变电路与灯电路网络设计本章介绍的逆变系统由IR21531为核心的半桥电路构成，IR21531是一种高

17、压、高速、带有高、低端驱动的半桥驱动器。该器件前级可调振荡器的功能与大家熟知的555 时基电路相似。驱动器的输出带有缓冲单元，可设定内部死区时间，防止桥路中的两只功率开关管直通。高、低端管子具有延时匹配，适用于占空比为50%的场合，该器件可驱动N沟道功率MOSFET 或IGBT，其内部电路原理结构框图如图57所示。逆变电路的参数设计方法如下：（1）R10与C11的选择IR21531芯片的推荐电源电流最大Iccmax=5mA，极限工作电流为25mA，因此R10的设置应使Vcc的电流在此范围之内，一般不大于10mA，C11为电源滤波电容，应选择高频性能好的电容，考虑到APFC电路输出电压具有100

18、Hz的纹波，C11应具备一定的容量。假定取Vcc的电流为10mA，则 R10=Ud-15.6V 10mA电容C11可选47F100F、25V高频特性好的电解电容，或电解电容并联高频性能较好的瓷片电容。图57 IR21531控制芯片原理结构框（2）R9与C7的选择R9与C7决定了逆变电路的工作频率，其参数设定可以参阅IR21531芯片的数据手册。电子镇流器的工作频段一般设定在24kHz31kHz或42kHz90kHz之间，逆变电路通常可取30kHz或50kHz，以此可以选择R9与C7。（4）VD7与C13的选择VD7与C13的作用是为高端的MOSFET提供驱动电源，自举元件VD7与C13的选择可

19、以参考IR公司相关设计指南。由于其承受的工作电压最高约为Ud，通常VD7可以选择1A、600V左右快恢复二极管。 C13一般可以选择几个微法几十微法的容量，耐压等级不低于25V。（5）L5与C15的选择逆变桥的负载等效电路和负载电压、电流波形如图58所示，假定荧光灯的参数为灯电压UH，灯电流IH，灯功率PH，逆变电路工作频率为f，灯负载近似为电阻，电流为对称指数曲线构成的波形，忽略谐波影响，以基波近似计算相关参数。参考式（33），逆变输出电压基波有效值为 Uo1rm=Ud s0.45逆变输出基波电流有效值与灯电流有效值相等，即 Io1rm=sIH忽略电感、电容的损耗，逆变输出基波有功功率即为灯

20、负载功率，有 Po1=Uo1rmIos1rmcosUdIHcosj1=PH sj1=0.45即 cosj1=PH 0.45UdIH由于 tanj1=2pfL50.45UdIH21=-1=()-1 RHPH(cosj1)2(0.45UdIH2)-1 PH因此 L5=RH2pfC15的作用在于和L5产生谐振，当半桥工作频率接近L5、C15固有谐振频率时，C15两端形成很高的谐振电压击穿灯管点亮。通常可以选择L5、C15固有谐振频率为半桥电路工作频率的23倍，假定L5、C15固有谐振频率为f0，则 f0=以此可以求得C15的容量。（6）VT2与VT3的选择对于半桥电路，MOSFET的最高电压为APFC输出电压，根据流过电感L212pL5C15=(23)f的波形和峰值，可以计算流过MOSFET的电流有效值。但这样计算比较麻烦，比较简单的方法是直接以