電子鎮(zhèn)流器功率因素校正電路APFC的分析

摘要  針對(duì)熒光燈電子鎮(zhèn)流器和高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器中功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展，總結(jié)了典型的有源功率因數(shù)校正應(yīng)用電路，分析了電路的基本工作原理，并在高壓鈉燈鎮(zhèn)流器中得到了應(yīng)用。
關(guān)鍵詞 電子鎮(zhèn)流器   功率因數(shù)  校正APFC

The Active Power Factor Correction Applicationin Ballast

Cheng Weibin

(Xi＇an petroleumInstitute，Xi＇an，710065）

　　Abstract Withthetechnicaldevelopmentofactive powerfactorcorrection，somecircuitsintheballastsandits operation areintroduced，which have been usedin high pressure sodiumlamp．
Key words ballast；powerfactorcorrection；APFC
1引言 
　　在供電線路中，用電設(shè)備的低功率因數(shù)而引起較大的電網(wǎng)諧波和波形畸變，對(duì)電網(wǎng)和其他用電設(shè)備危害很大，隨著對(duì)供電質(zhì)量要求的提高和集成電路技術(shù)的發(fā)展，功率因數(shù)校正技術(shù)（簡(jiǎn)稱PFC技術(shù)）得到廣泛的應(yīng)用。PFC技術(shù)分為無(wú)源PFC技術(shù)和有源PFC技術(shù)。
2 無(wú)源PFC電路  
　　無(wú)源PFC電路可分為無(wú)源諧波濾波逐流電路和高頻能量反饋式無(wú)源諧波濾波電路。
    無(wú)源諧波濾波逐流電路如圖1所示，其工作原理基于降低輸出直流電壓，在每一個(gè)半周期內(nèi)，將交流輸入電壓高于直流輸出電壓的時(shí)間拉長(zhǎng)，整流二極管的導(dǎo)通角就可以增大，電源電壓過(guò)零的死區(qū)時(shí)間則縮短，其電流波形趨于連續(xù)，包絡(luò)線趨于正弦波，這樣交流輸入電流追逐電源電壓瞬時(shí)變化軌跡，可將電路的功率因數(shù)提高到0．9以上，電源總諧波失真度THD降低到30％以下。

　　高頻能量反饋式無(wú)源諧波濾波電路利用開(kāi)關(guān)電源或電子鎮(zhèn)流器中的高頻振蕩能量控制電容充電過(guò)程，可使功率因數(shù)提高到0．95，將THD降低到20％。

　　無(wú)源PFC技術(shù)電路簡(jiǎn)單，提高了功率因數(shù)，但THD仍大于15％，波峰比也較大。隨著集成芯片和有源PFC技術(shù)的發(fā)展，無(wú)源PFC電路在國(guó)外已被有源PFC電路替代。

3  有源PFC電路

　　有源功率因數(shù)校正PFC電路主要有升壓型、降壓型、升壓－－降壓型和回掃型等
基本電路形式，其中升壓型有源PFC電路在一定輸出功率下可減小輸出電流，減小輸
出濾波電容的容值和體積，故在電子鎮(zhèn)流器中廣泛應(yīng)用。升壓型有源PFC電路在控制方法上，有電感電流斷續(xù)傳導(dǎo)模式和峰值電流控制模式。其電路原理圖如圖2所示。

電路工作原理如下：Q1導(dǎo)通時(shí)，D5截止，電容C1向負(fù)載放電；Q1截止，電感L1儲(chǔ)能經(jīng)D5對(duì)電容C1充電。由于Q1和D5交替導(dǎo)通，使整流器輸出電流經(jīng)電感L1連續(xù)。這樣輸入電流也連續(xù)。圖中，R1取樣輸入電壓，保證通過(guò)電感L1的電流跟隨輸入電壓按正弦規(guī)律變化，通過(guò)L1的高頻電流包絡(luò)正比于輸入電壓，其平均電流呈正弦波形，使輸入電流呈正弦波；R2取樣輸出電壓，控制APFC控制器的輸出
占空比，穩(wěn)定輸出電壓。

　　目前，APFC專用芯片很多，在電子鎮(zhèn)流器中應(yīng)用廣泛，具體電路不做詳細(xì)介紹，可參閱參考文獻(xiàn)。

4  利用自振蕩半橋PWM驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的APFC電路
   在某些自振蕩半橋PWM驅(qū)動(dòng)器電路中，可以利用PWM驅(qū)動(dòng)器輸出固定頻率的
脈沖來(lái)作APFC控制，這里介紹兩種典型電路。

4．1利用自振蕩輸出波形控制的APFC電路

   電路原理圖如圖3所示。

      升壓電感L1、二極管D5、電容C2和開(kāi)關(guān)管Q3等組成APFC電路。由于PWM驅(qū)動(dòng)器U1輸出脈沖的頻率和占空比都是固定的，Q3導(dǎo)通時(shí)，D5截止，C2向負(fù)載放電；Q3截止時(shí)，電感L1產(chǎn)生的突變電勢(shì)使D5正向偏置而導(dǎo)通，電感L1通過(guò)D5向C2和負(fù)載釋放儲(chǔ)能，此時(shí)整流二極管電流經(jīng)電感L1連續(xù)，使輸入電流波形連續(xù)，呈正弦波形，可將線路功率因數(shù)提高到0．95以上，使輸入電流總諧波失真度（THD）降低到10％以下。

4．2  利用自振蕩PWM驅(qū)動(dòng)器的定時(shí)電路

　　圖3利用自振蕩PWM驅(qū)動(dòng)器輸出波形控制的APFC原理電路圖圖4利用自振蕩PWM驅(qū)動(dòng)器的定時(shí)器設(shè)計(jì)的APFC原理電路圖和波形圖設(shè)計(jì)的APFC電路自振蕩半橋PWM驅(qū)動(dòng)器的振蕩器是一個(gè)類似555的定時(shí)振蕩器，CT端為鋸齒波，可以用一電路產(chǎn)生同頻、占空比可調(diào)的APFC電路。其原理電路如圖4所示。

　　自振蕩PWM驅(qū)動(dòng)器的CT端波形為鋸齒波，送到比較器U2的正端；將直流輸出
電壓分壓送到比較器U2的負(fù)端。當(dāng)C點(diǎn)的電壓小于D點(diǎn)時(shí)，E點(diǎn)為高電平，Q4導(dǎo)通；
當(dāng)B點(diǎn)為高電平時(shí)，F(xiàn)點(diǎn)為高電平，Q3導(dǎo)通，電感L1儲(chǔ)能，電容C2向后級(jí)供電。當(dāng)C
點(diǎn)電壓高于D點(diǎn)時(shí)，E點(diǎn)為低點(diǎn)平，不論F點(diǎn)電平狀態(tài)，Q4截止，Q3截止，電感L1經(jīng)
D5向C2和后級(jí)釋放儲(chǔ)能。這樣二極管電流經(jīng)電感L1連續(xù)，各點(diǎn)相關(guān)波形如圖4（B）所示。
    從波形上可以看出F點(diǎn)波形脈沖寬度小于A或B，而且可調(diào)，但小于50％；通過(guò)
調(diào)整R1、R2的分壓比，可調(diào)整輸出電壓和輸出功率，構(gòu)成可調(diào)輸出電路，這在開(kāi)關(guān)電源和電子鎮(zhèn)流器中有較廣泛的應(yīng)用。

5  利用TOPSwitch開(kāi)關(guān)構(gòu)成的APFC電路
　　TOPSwitch是一種離線式PWM開(kāi)關(guān)，其內(nèi)部集PWM控制器和MOSFET開(kāi)關(guān)管為
一體。由其構(gòu)成的APFC電路如圖5所示。

　　在圖5中，控制器U1、電感L1、二極管D5、D6和電容C1構(gòu)成APFC電路，當(dāng)控制
器U1的C端（控制端）達(dá)到設(shè)定電壓時(shí)，U1被啟動(dòng)。電阻R1取樣輸入瞬時(shí)電壓，電阻
R2取樣輸出電壓，U1的控制端輸入電流影響輸出占空比，其占空比與輸入電流成反
比，隨輸入電壓線性變化。通過(guò)U1的調(diào)整，輸入平均電流呈正弦波形，且與輸入電壓保持同相位，是一種固定頻率電流斷續(xù)模式的APFC電路。可將線路功率因數(shù)提高到0．98左右。

    此外，還可利用緊湊型自振蕩半橋PWM驅(qū)動(dòng)器（如IR51HXX系列）構(gòu)成類似圖
4和圖5的APFC電路。緊湊型自振蕩半橋PWM驅(qū)動(dòng)器是集緊湊型自振蕩PWM電路
和兩只MOSFET管于一身，具有電路簡(jiǎn)單、緊湊的特點(diǎn)，只適合于節(jié)能燈和小型開(kāi)關(guān)電源電路。

6  結(jié)束語(yǔ)
    有源功率因數(shù)校正技術(shù)應(yīng)用在高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器上，使其輸入側(cè)的功率因數(shù)提
高到0．99以上，將總諧波失真度降低到10％以下，反饋到電網(wǎng)的諧波大為減少，起
到了節(jié)約能源、降低消耗和減少電網(wǎng)污染的作用。