電荷泵式電子鎮(zhèn)流器基本電路的分析

摘要：電荷泵式電子鎮(zhèn)流器，采用充電電容和高頻交流源，以實現(xiàn)功率因數(shù)校正（PFC），這已成為熒光燈鎮(zhèn)流器中極有吸引力的電路拓撲。但這種電路還存在一些問題，如輸入電流的THD值高，燈電流的波峰比（CF）高。對這些問題產(chǎn)生的根源進行了分析，并提出解決方法。附加兩只小型箝位二極管后，在開環(huán)控制狀態(tài)，就可使輸入電流波形得到很好的改善，從而使PF>0.99，THD5％，而燈電流的CF1.6。并給出了實驗結(jié)果。

關(guān)鍵詞：電子鎮(zhèn)流器；功率因數(shù)校正；電路

Analysis and Improvement for Charge Pump Electronic Ballast

GAO Ji-sun

Abstract:The charge pump electronic ballast circuit which employs a charging capacitor and a high frequency AC source to implement the power factor correction(PFC)has become an attractive topology for the ballast of the fluorescent lamp. But, this circuit has some problems, such as higher total harmonic distortion(THD)of the input current and higher crest factor(CF)of the lamp current. The origin of the problems is analyzed and asolution is proposed. With the addition of two small clamping diodes, very good input current(PF>0.99,THD5％)and lamp current(CF1.6)can be obtained with the open loop control. The experimental results are provided for verification.

Keywords:Electronic ballast;Power factor correction;Circuit

1 引言

普通電子鎮(zhèn)流器拓撲，由帶無源LC濾波器的橋式整流電路和高頻逆變器組成，它已不能滿足電網(wǎng)的嚴格要求，如線路輸入端的功率因數(shù)要高，電網(wǎng)電流的THD要低等。斷續(xù)升壓式PWM變換器及其拓撲，可采用簡單的控制電路，達到較高的功率因數(shù)，不過，它需要附加一只笨重的升壓電感器，此外，開關(guān)功率管上的電壓/電流應力一般也比較大。綜合考慮，該電子鎮(zhèn)流器的性能/價格比就不會太高。近年來，采用充電電容和高頻交流源來進行功率因數(shù)校正（PFC）的電子鎮(zhèn)流器成為極具吸引力的電路拓撲。因為，充電電容器按類似“電荷泵”的方式來調(diào)整輸入電流的波形，這類電路，也叫做“電荷泵”功率調(diào)節(jié)器。因為在電路中，取消了升壓電感器，輸入端的LC濾波器的體積就大大減小了，鎮(zhèn)流器的成本還可能降低。但是，其輸入電流的THD>15％，燈電流的CF>2.4。本文在對該“電荷泵”電路的工作原理和存在問題進行分析后，采用二極管箝位技術(shù)克服了這些存在的問題，使在開環(huán)控制下，就能得到良好的輸入電流和燈電流波形。為了驗證理論分析結(jié)論，還提供了實驗結(jié)果。

2 工作原理和存在問題

圖1為典型的“電荷泵”式電子鎮(zhèn)流器電路圖，圖中Lr與Cr是諧振元件，Cb1是隔直電容。該電路和普通鎮(zhèn)流器電路的區(qū)別是：普通鎮(zhèn)流器是在整流橋后緊接高頻逆變器，而本電路是增加了一只電容Cin和二極管Dc，這兩個元件在調(diào)整輸入電流波形方面起到了關(guān)鍵作用。圖1電路可分為兩部分：PFC及DC/AC逆變。圖2為其PFC部分的等效電路和理想波形。為了簡化分析，把Cr兩端的電壓看作獨立的高頻電壓源（Ua）。通過設計，使直流母線電壓Udc高于輸入的電網(wǎng)電壓Ug，二極管Dc不會導通。從而，輸入電流就等于Cin的的正向充電電流，電流的方向如圖2（a）所示 。 這 是 通 過 調(diào) 節(jié)ug和udc來 實 現(xiàn) 的 。 如 果Cin上 電 荷 的 變 化 〔 它 正 比 于Cin兩 端 電 壓 的 變 化 ， 即ucmax－ucmin。 參 看 圖 2（ b） 〕 緊 跟 著 輸 入 電 壓ug變 化 ， 則 可 使 功 率 因 數(shù) 達 到 1。 具 體 分 析 如 下 ：

(a) 階段1 (b)階段2 (c) 階段3 (d) 階段4

圖1 典型電荷泵電子鎮(zhèn)流器電路

圖2 PFC原理

(a) 等效電路 (b) 理想的波形

2.1 PFC原理分析

在一個開關(guān)周期內(nèi)電荷泵電路的穩(wěn)態(tài)工作，可分為四個拓撲階段，如圖3所示。理論波形如圖4所示。

圖3 PFC電 路 的 四 個 拓 撲 階 段

圖4 PFC電 路 的 理 論 波 形

1）階段1[0～α]

在這個階段，因為節(jié)點B處的電壓ub低于Udc，而高于ug，ugP 。 束 結(jié) 段 階 此 ug， 等 ub變 時 t=α ω 當 拉 下 向 ub也 把 降 續(xù) ua繼 而 化 變 uc不 的 上 端 Cin兩 過 通 流 有 沒 Cin中 容 以 所 斷 關(guān) DB均 橋 整 Dc和 管 極 二 則> ubudc，則二極管Dc和整流橋DB均關(guān)斷。所以，輸入電容Cin中沒有電流通過，Cin兩端上的電壓uc不變化。而ua繼續(xù)下降，把ub也向下拉。當ω t=α時，ub變得等于ug，此階段結(jié)束。

2）階段2[α～π]

在ω t=α，DB開始導通，ub被箝位到ug，使ub為恒定值。當ua繼續(xù)下降時，uc必然增加。這樣Cin被整流的電網(wǎng)電流充電。在ω t=π時，ua降至uamin，而uc則達到其最大值。

ucmax=ug－uamin （1）

3）階段3[π～(π＋β)]

在ω t=π之后，ua從uamin開始增加，ub變得大于ug，迫使DB關(guān)斷，因為ub低于udc，二極管Dc仍被阻斷。同階段1類似，電容Cin中無電流通過，uc維持不變。ua繼續(xù)增加，ub繼續(xù)提升，在ω t=π＋β時，此階段結(jié)束。

4）階段4[(π＋β)～2π]

在ω t=π＋β時，ub變得等于udc，二極管Dc開始導通，因為ub被箝位到udc，當ua繼續(xù)增加時，uc必然下降。Cin的放電電流流入udc，在ω t=2π時，ua增加到uamax，而uc達到其最小值。

ucmin=ug－uamax （2）

在ω t=2π時，該電路工作又進入階段1，重復下一個開關(guān)周期。

從上面分析可以看出，在該電路中的輸入電流是斷續(xù)的，它只在階段2內(nèi)有電流流過。在此階段內(nèi)，Cin上的電荷變化是：

ΔQch=Cin(ucmax－ucmin) （3）

把式（1）和式（2）代入式（3），并考慮到在階段2時

udc=ug可得到