ＨＩＤ燈電子鎮(zhèn)流器中ＡＰＦＣ電路的設(shè)計

張　麗

摘要：電子鎮(zhèn)流器是一種電源變換裝置，由于HID燈負(fù)載對電子鎮(zhèn)流器的特殊要求而增加了其設(shè)計的復(fù)雜性。本文討論了HID燈電子鎮(zhèn)流器中APFC電路的設(shè)計及實驗結(jié)果。

關(guān)鍵詞：HID燈；電子鎮(zhèn)流器；APFC電路

高氣壓放電光源由于氣體放電電流密度大、發(fā)光亮度高，習(xí)慣上被稱為高強(qiáng)度氣體放電（High Intensity Discharge）燈，簡稱HID燈，廣泛應(yīng)用于廣場、碼頭、車間、道路等室外照明環(huán)境中，在當(dāng)今照明系統(tǒng)中占有重要的地位。但HID燈電子鎮(zhèn)流器仍處于研制階段，未能得到廣泛應(yīng)用。因此，在低壓放電燈電子鎮(zhèn)流器的基礎(chǔ)上研制適用于HID燈的高性能電子鎮(zhèn)流器對HID燈的推廣具有重大的現(xiàn)實意義[1]，可以達(dá)到進(jìn)一步節(jié)能和提高照明效果的目的。

由于HID燈自身的負(fù)阻特性，決定了其必須和限流元件——鎮(zhèn)流器相串聯(lián)才能穩(wěn)定工作[2]。為了減小在限流元件中的能量損耗，HID燈一般采用不消耗有功功率的電抗性元件——電感做鎮(zhèn)流器。本文討論了HID燈電子鎮(zhèn)流器中APFC電路的設(shè)計及實驗結(jié)果。

1APFC電路的原理

APFC電路置于橋式整流電路與濾波電解電容之間，實際上是一種DC-DC變換器。APFC電路主要有升壓（Boost）、降壓、升壓——降壓和回掃四種類型。由于Boost型APFC電路在一定的輸出功率下可以減小輸出電流，從而可以減小輸出濾波電容的容值和體積，故在電子鎮(zhèn)流器中被廣泛采用[3]。

Boost型APFC電路的基本原理如圖1所示，主要由APFC控制芯片、功率開關(guān)管VT1、升壓電感器L1、升壓二極管VD5、輸出濾波電容C1及反饋環(huán)路所組成，其核心是APFC控制芯片。APFC電路的工作原理是基于升壓電感L1的電流與電壓之間的物理關(guān)系。

當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時，升壓二極管VD5截止，濾波電容C1通過負(fù)載放電。當(dāng)VT1由導(dǎo)通躍變?yōu)殛P(guān)斷時，L1產(chǎn)生的突變電勢使VD5正向偏置而導(dǎo)通，L1中的儲能經(jīng)VD5釋放，對C1充電。由于VT1和VD5交替導(dǎo)通，使整流電路輸出電流經(jīng)L1連續(xù)流動。這就意味著整流二極管在交流電源電壓的半個周期內(nèi)，導(dǎo)通角趨于180°。APFC電路一般都采用雙環(huán)反饋控制方法。內(nèi)環(huán)反饋的作用是將全波整流輸出直流脈動電壓（實質(zhì)上就是交流輸入電壓）通過R1、R2組成的電阻分壓器采樣輸入到APFC控制芯片，以保證L1的電流時刻跟蹤輸入電壓按正弦規(guī)律變化。通過L1的三角形高頻電流的峰值包跡波正比于輸入交流電壓，所以L1的平均電流呈正弦波形，這就意味著電源輸入電流也呈正弦波形。外環(huán)反饋用作APFC電路輸出直流電壓的反饋控制。直流輸出電壓被檢測后輸入到APFC控制芯片，芯片輸出PWM驅(qū)動信號調(diào)節(jié)功率開關(guān)的占空比，以使輸出電壓穩(wěn)定。

圖2示意了在VT1的一個開關(guān)周期中電感電流 的波形，它是一個線性上升、線性下降的三角波。在輸入交流電壓半周期內(nèi)，輸入電流將是一串峰值隨輸入電壓變化的三角波。圖3為APFC電路工作電壓和電流的波形圖，三角波電流的平均值是其峰值電流的一半，因此，它的波形是隨輸入電壓按正弦變化而變化的。由于電路的輸入平均電流波形與輸入電壓波形形狀是相似的，又沒有相移，電路的功率因數(shù)可以達(dá)到很高，而諧波失真很小。在采用有效的EMI濾波電路后，電路中高頻開關(guān)信號的泄露很低，故其電流總諧波失真THD一般不會超過10%。

2電路設(shè)計

利用芯片L6561作為控制器的Boost型APFC電路如圖4所示。

APFC電路的工作頻率隨輸入交流電壓和負(fù)載的變化而變化。功率開關(guān)管VT1的關(guān)斷時間取決于APFC直流輸出電壓與輸入電壓之間的差值。為保證工作頻率不降至可聽見的音頻范圍之內(nèi)并保證電路穩(wěn)定工作，一般要求APFC電路輸出電壓至少比輸入電壓峰值高15%以上。對于220V的交流輸入電壓，APFC電路的直流輸出電壓一般為400V。

圖4中輸入交流電經(jīng)橋整流后變?yōu)?10V的直流電，作為Boost型APFC電路的輸入。電容C3用作高頻濾波，降低輸入電流的諧波含量。電阻R1和R2構(gòu)成電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，用以確定輸入電壓的波形和相位，電容C4與電阻R1構(gòu)成一個RC濾波器，用以除去引腳3的高頻干擾信號。變壓器T1的主邊用作升壓電感，副邊用來檢測電感電流的過零信號，傳遞到芯片的引腳5。電阻R4和二極管VD2起到讓 MOS管VT1慢導(dǎo)通快截止的功能。電阻R6作為電感電流檢測電阻，用以采樣電感電流的上升沿（MOS管電流）。電阻R7和R8構(gòu)成電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，形成輸出電壓的負(fù)反饋回路。電容C5連接于芯片引腳1和引腳2之間，形成電壓環(huán)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

3實驗結(jié)果

圖5給出了交流過零信號（L6561引腳5）與開關(guān)管柵極驅(qū)動信號（L6561引腳7）的實測波形圖，下圖為交流過零信號，上圖為開關(guān)管柵極驅(qū)動信號。從圖中可以看出當(dāng)過零信號為零時，開關(guān)管導(dǎo)通。圖6給出APFC電路的輸出電壓（400V）實測波形，從圖中可以看出，雖然波形存在一定的紋波，但輸出電壓穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計要求。

隨著數(shù)字技術(shù)和數(shù)字控制芯片的不斷完善和發(fā)展，數(shù)字化控制在電子鎮(zhèn)流器中的應(yīng)用正越來越顯示其優(yōu)越性。得益于數(shù)字控制電路的強(qiáng)大功能，我們能夠在不增加其它電路的基礎(chǔ)上增加多項控制功能，使得采用一塊數(shù)字控制芯片通過編程就能夠完成調(diào)光、開路保護(hù)、短路保護(hù)、啟動時序控制、恒功率控制、聲諧振抑制、壽命檢測、點火信號控制等一系列功能，因此電路結(jié)構(gòu)更為簡單，集成度更高，可靠性也可以相應(yīng)地得到提高。

參考文獻(xiàn)

[1]倪海東,庚鴻.綠色照明控制技術(shù)綜述.綠色照明,2005,6(9):25～37.

[2]張衛(wèi)平.綠色電源——現(xiàn)代電能變換技術(shù)及應(yīng)用（第一版）.北京:科學(xué)出版社,2001:2～10.

[3]毛興武,祝大衛(wèi).電子鎮(zhèn)流器原理與制作（第一版）.北京:人民郵電出版社,1999:50～74,118～169,384～395.