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1、高功率因数荧光灯电子镇流器设计-PWM型ACDC和DCAC变换电路综合应用专题 应用设计四 高功率因数荧光灯电子镇流器设计 PWM型ACDC和DCAC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
2、电产生的紫外线激发管壁上的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2537nm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
3、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500V1200V40V110V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
4、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频率以2050kHz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5060Hz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
5、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ACDC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
6、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UC38543858IR1150MC3326234262L6561等不同芯片的控制原理设计要求各不相同本节以MC3326234262为例介绍单相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05A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5-6MC33262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
7、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用普通的快恢复二极管即可满足要求另外由MC34262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L1L3C1C51L2的电感值一般在几百微亨几个毫亨之间C1通常取01F左右C2C52200pF4700pFH40mH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
8、数约为1因此二极管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 整流二极管正向通态平均电流为 3C6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C6参数一般可以选择耐压为250VAC以上的薄膜电容或瓷片电容4R1与R2的选择乘法器的输入电
9、压范围最小为025V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R1与R2数据的具体选择范围可以参考数据手册的典型设计5R3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Icc 04mA运行时Icc 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 100k6C8的选择由MC3326234262芯片资料内部误差放大器的跨导 80mho其带宽为 一般设置BW 20Hz左右可以选取7R7与R8的选择R7与R8用于设定APFC输出电压MC3326234262芯片电压反馈输入典型阈值VFB 25V它由芯
10、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 10kR7 16M8VD6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 二极管的正向通态平均电流为 以MC3326234262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
11、率变化范围也不同其变化范围大致为25kHz50kHzV67V内部滞环比较器的两个阈值点典com当R4输入电压小于14V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
12、反向重复峰值电压10C9R5与R6的设计R6是电流反馈采样电阻C9R5的作用是抑制电流波形中的尖刺根据MC3326234262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ILpk为电流采样输入电压Ucs的阈值最小为13V依据资料推荐正常反馈电压值取1V左右则有C2R5的选取可参考资料典型电路的设计可取C2 1000pF 33011VT1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ILpk来近似估算考虑到VT1占空比变化范围可以在0112C10与C12的
13、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式中 为APFC电路输出功率0工频电角频率同时要求满足 13APFC电感选择 依据MC3326234262芯片资料电感T1的选择如下 初级绕组电感 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85V265Vs窄输入电压范围时184V276Vs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是一种高压高速带有高低端驱动的半桥驱动器该器
14、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1R10与C11的选择IR21531芯片的推荐电源电流最大Icc 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10mAC11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100Hz的纹波C11应具备一定的容量假定取Vcc的电流为10mA则 电容C11可选47F10
15、0F2R9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42kHz90kHzR9与C74VD7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1A600V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25V5L5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 逆变输出基波电流有效值与灯电流有效值相等即 忽略电感电容的损耗逆变输出基波有功功率即为灯负载功率有即 由于
