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摘 要电子镇流器是一种电源变换装置,由于HID灯负载对电子镇流器的特殊要求而增加其设计的复杂性。讨论HID灯电子镇流器中APFC电路的设计。
关键词HID灯;电子镇流器;APFC电路
中图分类号TM文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)101-0019-01
高气压放电光源由于气体放电电流密度大、发光亮度高,习惯上被称为高强度气体放电(High Intensity Discharge)灯,简称HID灯,广泛应用于广场、码头、车间、道路等室外照明环境中,在当今照明系统中占有重要的地位。在低压放电灯电子镇流器的基础上研制适用于HID灯的高性能电子镇流器对HID灯的推广具有重大的现实意义,可以达到进一步节能和提高照明效果的目的。
为了减小在限流元件中的能量损耗,HID灯一般采用不消耗有功功率的电抗性元件。由于HID灯自身的负阻特性,决定了其必须和限流元件——镇流器相串联才能稳定工作。
1APFC电路的原理
APFC电路置于桥式整流电路与滤波电解电容之间,实际上是一种DC-DC变换器。APFC电路主要有升压(Boost)、降压、升压——降压和回扫四种类型。由于Boost型APFC电路在一定的输出功率下可以减小输出电流,从而可以减小输出滤波电容的容值和体积,故在电子镇流器中被广泛采用。
Boost型APFC电路的基本原理如图1所示,主要由APFC控制芯片、功率开关管VT1、升压电感器L1、升压二极管VD5、输出滤波电容C1及反馈环路所组成,其核心是APFC控制芯片。APFC电路的工作原理是基于升压电感L1的电流与电压之间的物理关系。
图1Boost型APFC电路原理图
当开关管VT1导通时,升压二极管VD5截止,滤波电容C1通过负载放电。当VT1由导通跃变为关断时,L1产生的突变电势使VD5正向偏置而导通,L1中的储能经VD5释放,对C1充电。由于VT1和VD5交替导通,使整流电路输出电流经L1连续流动。这就意味着整流二极管在交流电源电压的半个周期内,导通角趋于180°。APFC电路一般都采用双环反馈控制方法。内环反馈的作用是将全波整流输出直流脉动电压(实质上就是交流输入电压)通过R1、R2组成的电阻分压器采样输入到APFC控制芯片,以保证L1的电流时刻跟踪输入电压按正弦规律变化。通过L1的三角形高频电流的峰值包迹波正比于输入交流电压,所以L1的平均電流呈正弦波形,这就意味着电源输入电流也呈正弦波形。外环反馈用作APFC电路输出直流电压的反馈控制。直流输出电压被检测后输入到APFC控制芯片,芯片输出PWM驱动信号调节功率开关的占空比,以使输出电压稳定。
图2为APFC电路工作电压和电流的波形图,三角波电流的平均值是其峰值电流的一半,因此,它的波形是随输入电压按正弦变化而变化的。由于电路的输入平均电流波形与输入电压波形形状是相似的,又没有相移,电路的功率因数可以达到很高,而谐波失真很小。在采用有效的EMI滤波电路后,电路中高频开关信号的泄露很低,故其电流总谐波失真THD一般不会超过10%。
图2APFC电路工作电压和电流的波形图
2电路设计
利用芯片L6561作为控制器的Boost型APFC电路(如图3所示)。
图3基于L6561控制器的APFC电路图
APFC电路的工作频率随输入交流电压和负载的变化而变化。功率开关管VT1的关断时间取决于APFC直流输出电压与输入电压之间的差值。为保证工作频率不降至可听见的音频范围之内并保证电路稳定工作,一般要求APFC电路输出电压至少比输入电压峰值高15%以上。对于220V的交流输入电压,APFC电路的直流输出电压一般为400V。
图3中输入交流电经桥整流后变为310V的直流电,作为Boost型APFC电路的输入。电容C3用作高频滤波,降低输入电流的谐波含量。电阻R1和R2构成电阻分压网络,用以确定输入电压的波形和相位,电容C4与电阻R1构成一个RC滤波器,用以除去引脚3的高频干扰信号。变压器T1的主边用作升压电感,副边用来检测电感电流的过零信号,传递到芯片的引脚5。电阻R4和二极管VD2起到让MOS管VT1慢导通快截止的功能。电阻R6作为电感电流检测电阻,用以采样电感电流的上升沿(MOS管电流)。电阻R7和R8构成电阻分压网络,形成输出电压的负反馈回路。电容C5连接于芯片引脚1和引脚2之间,形成电压环的补偿网络。
随着数字技术和数字控制芯片的不断完善和发展,数字化控制在电子镇流器中的应用正越来越显示其优越性。得益于数字控制电路的强大功能,我们能够在不增加其它电路的基础上增加多项控制功能,使得采用一块数字控制芯片通过编程就能够完成调光、开路保护、短路保护、启动时序控制、恒功率控制、声谐振抑制、寿命检测、点火信号控制等一系列功能,因此电路结构更为简单,集成度更高,可靠性也可以相应地得到提高。
参考文献
[1]倪海东,庚鸿.绿色照明控制技术综述.绿色照明,2005,9.
[2]张卫平.绿色电源——现代电能变换技术及应用(第一版).北京:科学出版社,2001.
[3]祝大卫.电子镇流器原理与制作(第四版).北京:人民邮电出版社,2006.
关键词HID灯;电子镇流器;APFC电路
中图分类号TM文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)101-0019-01
高气压放电光源由于气体放电电流密度大、发光亮度高,习惯上被称为高强度气体放电(High Intensity Discharge)灯,简称HID灯,广泛应用于广场、码头、车间、道路等室外照明环境中,在当今照明系统中占有重要的地位。在低压放电灯电子镇流器的基础上研制适用于HID灯的高性能电子镇流器对HID灯的推广具有重大的现实意义,可以达到进一步节能和提高照明效果的目的。
为了减小在限流元件中的能量损耗,HID灯一般采用不消耗有功功率的电抗性元件。由于HID灯自身的负阻特性,决定了其必须和限流元件——镇流器相串联才能稳定工作。
1APFC电路的原理
APFC电路置于桥式整流电路与滤波电解电容之间,实际上是一种DC-DC变换器。APFC电路主要有升压(Boost)、降压、升压——降压和回扫四种类型。由于Boost型APFC电路在一定的输出功率下可以减小输出电流,从而可以减小输出滤波电容的容值和体积,故在电子镇流器中被广泛采用。
Boost型APFC电路的基本原理如图1所示,主要由APFC控制芯片、功率开关管VT1、升压电感器L1、升压二极管VD5、输出滤波电容C1及反馈环路所组成,其核心是APFC控制芯片。APFC电路的工作原理是基于升压电感L1的电流与电压之间的物理关系。
图1Boost型APFC电路原理图
当开关管VT1导通时,升压二极管VD5截止,滤波电容C1通过负载放电。当VT1由导通跃变为关断时,L1产生的突变电势使VD5正向偏置而导通,L1中的储能经VD5释放,对C1充电。由于VT1和VD5交替导通,使整流电路输出电流经L1连续流动。这就意味着整流二极管在交流电源电压的半个周期内,导通角趋于180°。APFC电路一般都采用双环反馈控制方法。内环反馈的作用是将全波整流输出直流脉动电压(实质上就是交流输入电压)通过R1、R2组成的电阻分压器采样输入到APFC控制芯片,以保证L1的电流时刻跟踪输入电压按正弦规律变化。通过L1的三角形高频电流的峰值包迹波正比于输入交流电压,所以L1的平均電流呈正弦波形,这就意味着电源输入电流也呈正弦波形。外环反馈用作APFC电路输出直流电压的反馈控制。直流输出电压被检测后输入到APFC控制芯片,芯片输出PWM驱动信号调节功率开关的占空比,以使输出电压稳定。
图2为APFC电路工作电压和电流的波形图,三角波电流的平均值是其峰值电流的一半,因此,它的波形是随输入电压按正弦变化而变化的。由于电路的输入平均电流波形与输入电压波形形状是相似的,又没有相移,电路的功率因数可以达到很高,而谐波失真很小。在采用有效的EMI滤波电路后,电路中高频开关信号的泄露很低,故其电流总谐波失真THD一般不会超过10%。
图2APFC电路工作电压和电流的波形图
2电路设计
利用芯片L6561作为控制器的Boost型APFC电路(如图3所示)。
图3基于L6561控制器的APFC电路图
APFC电路的工作频率随输入交流电压和负载的变化而变化。功率开关管VT1的关断时间取决于APFC直流输出电压与输入电压之间的差值。为保证工作频率不降至可听见的音频范围之内并保证电路稳定工作,一般要求APFC电路输出电压至少比输入电压峰值高15%以上。对于220V的交流输入电压,APFC电路的直流输出电压一般为400V。
图3中输入交流电经桥整流后变为310V的直流电,作为Boost型APFC电路的输入。电容C3用作高频滤波,降低输入电流的谐波含量。电阻R1和R2构成电阻分压网络,用以确定输入电压的波形和相位,电容C4与电阻R1构成一个RC滤波器,用以除去引脚3的高频干扰信号。变压器T1的主边用作升压电感,副边用来检测电感电流的过零信号,传递到芯片的引脚5。电阻R4和二极管VD2起到让MOS管VT1慢导通快截止的功能。电阻R6作为电感电流检测电阻,用以采样电感电流的上升沿(MOS管电流)。电阻R7和R8构成电阻分压网络,形成输出电压的负反馈回路。电容C5连接于芯片引脚1和引脚2之间,形成电压环的补偿网络。
随着数字技术和数字控制芯片的不断完善和发展,数字化控制在电子镇流器中的应用正越来越显示其优越性。得益于数字控制电路的强大功能,我们能够在不增加其它电路的基础上增加多项控制功能,使得采用一块数字控制芯片通过编程就能够完成调光、开路保护、短路保护、启动时序控制、恒功率控制、声谐振抑制、寿命检测、点火信号控制等一系列功能,因此电路结构更为简单,集成度更高,可靠性也可以相应地得到提高。
参考文献
[1]倪海东,庚鸿.绿色照明控制技术综述.绿色照明,2005,9.
[2]张卫平.绿色电源——现代电能变换技术及应用(第一版).北京:科学出版社,2001.
[3]祝大卫.电子镇流器原理与制作(第四版).北京:人民邮电出版社,2006.