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        一種新穎的低價(jià)單級(jí)電子鎮(zhèn)流器

        2011-11-24 06:59:46周成虎甕嘉民李松濤

        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(duì)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(jí)構(gòu)成,即在自激振蕩變換級(jí)電路前增加一個(gè)Buck-Boost有源功率因數(shù)校正級(jí)電路,兩級(jí)電路各需要一個(gè)單獨(dú)的控制電路[1-2].盡管市場(chǎng)上有許多現(xiàn)成的集成控制電路可以使用,但兩級(jí)電路元器件數(shù)量較多、性價(jià)比低是不能回避的事實(shí).

        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(jí)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(fù)載輸入和輸出電流.

        1 單級(jí)電子鎮(zhèn)流器主電路分析

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

        圖1 單級(jí)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(shí)電容CF也經(jīng)過Q2、二極管D6、電感LP放電,電感LP儲(chǔ)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(duì)CS充電.當(dāng)電容CS充電結(jié)束時(shí),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(shí),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(shí)的反向恢復(fù)時(shí)間與開關(guān)器件Q2(MOS管MTP6N60)的反向恢復(fù)時(shí)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(gè)半橋振蕩變換器,它為燈管提供了足夠高的啟動(dòng)電壓,在穩(wěn)態(tài)時(shí)峰值因數(shù)低是燈管壽命長(zhǎng)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(gè)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(gè)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(yùn)行條件的同時(shí)利用這個(gè)特性在最小值

        (1)

        在這里,δ是指一個(gè)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(shí)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(gè)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(jí)電路工作點(diǎn),同時(shí)不影響振蕩變換部分,這個(gè)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(jí)電子鎮(zhèn)流器的觸發(fā)電路如圖3(a)所示.該電路用一個(gè)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(duì)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(shí),QC1導(dǎo)通,QC2飽和導(dǎo)通,QC3截止,觸發(fā)信號(hào)UGS為高電平;反之,QC1與QC2截止,QC3飽和導(dǎo)通,觸發(fā)信號(hào)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(hào)UGS的作用.

        由于開關(guān)器件Q1與開關(guān)器件Q2的負(fù)載不同,在相同的觸發(fā)信號(hào)下,用同一種觸發(fā)電路觸發(fā)這兩個(gè)開關(guān)器件,得到的觸發(fā)信號(hào)不同.開關(guān)器件Q2的觸發(fā)信號(hào)相對(duì)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(hào)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(hào)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(hào)UGS的仿真波形在下降沿出現(xiàn)的尖峰電壓超過20 V,實(shí)驗(yàn)中偶見開關(guān)器件Q2被擊穿的現(xiàn)象.

        4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)電路的輸入電壓波形Fig.4 Experimental circuit’s input voltage

        5 結(jié)論

        與兩級(jí)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(jí)有源功率因數(shù)校正電路相比,效率進(jìn)一步提高,開關(guān)器件的損耗降低,壽命更長(zhǎng).

        參考文獻(xiàn):

        [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.

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