高性能電子鎮流器系統及其專用集成控制器設計

摘要：討論高性能電子鎮流器系統必需具備的電路結構、功率因子校正電路的基本原理，介紹美國微線性公司（MicroLinearCorporation）的電子鎮流器專用集成控制器及其構成的高性能電子鎮流器電路。

Abstract: Circuit structure essential for a high performance electronic ballast system, and fundamental circuits of power factor correction were discussed first. After that, a series of special electronic ballast integrated controllers of Micro Linear Corporation and a high performance electronic ballast system were described.

關鍵詞：電子鎮流器功率因子校正集成電路控制器

Keywords： Electronic ballast， Power factor correction， Integrated circuit controller

　　1引言

1997年10月1日，我國“綠色照明工程”正式啟動，這是照明技術領域內一項重大決策和舉措，必將對我國的能源、電光源和照明技術，甚至環境保護等各個領域產生巨大影響。

　　據國家經貿委人士稱：我國將把采用電子鎮流器和緊湊型熒光燈組成的一體化節能燈取代白熾燈作為“綠色照明工程”的重要目標，“九五”期間，將推廣各種節能燈3億只以上，形成終端節電220億度的能力，相當于節約電力建設資金(490～630)億元，扣除節電投入，實際可減少社會支出(300～400)億元。又據信息產業部有關專家認為，在相同光通量條件下，節能燈比白熾燈可節約電能80％，用于購買節能燈的費用，在(8～10)個月的電費節余中就可以收回。普通家庭和企事業單位、賓館飯店、商業系統等使用電子節能燈，比白熾燈更為合算。但是，目前在工頻下工作的老式電感鎮流器，普遍存在耗能高、效率低、體積大，需大量銅材等缺點。所以，國家已把高頻電子鎮流器取代傳統電感式鎮流器定為一項政策。目前，市場上出現了一些電子鎮流器，表1列出這些電子鎮流器的性能比較。按照國際電工委員會標準IEC929和我國的專業標準ZBK74012—90關于電子鎮流器在“正常情況下使用時，應使燈啟動，但不對燈性能造成損害”；“施加陰極預熱電壓的最短時間應不少于0.4s”和“開路電壓的波峰系數不得超過1.8；在最低預熱期間，不得產生即使是極窄的、不影響有效值的電壓峰值”等規定，則表1中所列，除高檔電子鎮流器外，均屬不合格產品。特別要強調的是，早在1982年，國際電工委員會（IEC）就制定了名為“家用設備及類似電器設備對供電系統干擾的標準”，即IEC555－2標準。1987年，歐洲也制定了類似的EN60555－2標準。兩個標準都嚴格限定了設備的功率因子必須接近1，而且還明確作出300W以上設備，自1992年起；300W以下設備，自1994年起，凡不符合標準的產品不準銷售的規定。鑒于功率因子低造成的危害極大，強行貫徹電子設備和產品的功率因子必須接近1的規定非常重要，也非常必要，國內現在雖尚無相應標準，但可以確信相關標準的出臺是遲早的事。高性能電子鎮流器自然亦不例外。

表1低、中、高檔電子鎮流器簡要比較

我們認為，高性能電子鎮流器應該是既具有功率因子校正，同時兼備燈管燈絲預熱、燈光調節和燈電路保護等功能，且完全符合IEC555－2及類似標準的產品，為此，本文就高性能電子鎮流器必須具備的電路結構和功率因子校正電路的基本原理作簡要討論，著重介紹美國微線性公司的電子鎮流器專用集成

控制器ML4831，ML4832，ML4833及由其構成的高性能電子鎮流器電路。

2高性能電子鎮流器的電路結構

　　電路結構如圖1所示。圖中RFI和EMI濾波器將來自電網的傳導射頻干擾和電磁干擾濾除，同時阻礙鎮流器電路產生的傳導射頻及電磁干擾進入電網。橋式整流電路將輸入交流變換成直流。功率因子校正電路則起改善輸入交流電流波形的作用，確保輸入電流正弦化并與輸入電壓同相位，實現功率因子接近或等于1。逆變電路完成直流高壓向高頻交流的變換，通過燈電路網絡將輸入功率最終傳輸給熒光燈管。燈網絡除了傳遞電功率之外，還將實施熒光燈燈絲的預熱、燈管工作狀態信號的取樣和反饋。燈工作狀態的反饋信號取自功率因子校正電路和調光信號，經控制電路處理得到正確的逆變電路中開關器件的驅動脈沖。

圖1高性能電子鎮流器的電路結構

2.1功率因子校正電路

系統的功率因子（PowerFactor，PF），定義為

PF=γcosφ1(1)

式中γ=I1/IRMS，是輸入電流的基波有效值與輸入總電流有效值之比，稱電流的失真因子（DistortionFactor,DF），φ1為基波電流與電壓的相移角。

　　如果系統的輸入電壓與電流無相移（即系統為純電阻性），且無任何諧波分量（即DF=1），該系統的PF必然等于1。遺憾的是，目前絕大多數電子設備與工頻電網相接的輸入整流濾波單元都采用不控二極管和大容量電解電容器組成，網側電流的瞬時值相當高（一般約為IRMS的2倍～3倍），持續時間非常短（通常不超過4ms），呈嚴重非正弦化特征，故系統的PF遠低于1。功率因子校正就是針對傳統不控整流電路的弊病，采取相應的電路措施，在提高系統DF值的同時，盡量減小輸入基波電流和電壓的相移，最終實現PF值等于1的目標。圖2所示為電子鎮流器中常用的升壓型有源功率因子校正電路。控制電路以輸入電壓信號作基準，輸入電流和輸出電壓信號的乘積作調制源，得到正弦脈寬調制（SPWM）信號給升壓型DC/DC功率變換電路，以調節功率開關的通、斷時間比，最后獲得穩定的直流高壓。升壓型功率變換電路中的功率開關器件，由于在控制電路輸出的SPWM信號驅動下高速通、斷，故可確保流經與整流橋相串聯的電感中的電流波形為正弦波，且與輸入電壓同相，從而得到系統輸入電流的失真因子γ=1和φ1=0,即cosφ1=1,實現系統功率因子為1。

圖2電子鎮流器中的PFC電路

2.2逆變電路

逆變電路最主要的功能是將經功率因子校正電路輸出的高壓直流變換為供熒光燈使用的高頻交流。圖3所示為電子鎮流器中最常用的電流饋送推挽零電壓開關（ZeroVoltageSwitching，ZVS）諧振逆變電路及其相關波形。圖中功率MOSFET推挽管（V1和V2）在占空比為50％的驅動脈沖驅動下交替地通、斷，并在功率變壓器初級電感和電容構成的并聯諧振回路中電流過零時換向，實現零電壓開關（ZVS），對高壓直流實行斬波。零電壓開關能消除與MOSFET管的輸出電容和寄生電容充電相關的開關損耗，而且柵極驅動電荷最小，有利于減少柵極的損耗。圖3右側所示為功率變壓器初級所呈現的電壓和流過的電流波形。由于功率變壓器次級耦合得到的高頻交流是直接饋送至燈路網絡的，故燈電流（即功率變壓器次級電流）與逆變電路的輸出電流（即功率變壓器初級電流）不存在相移。考慮到燈網絡的總阻抗在高頻時會減小，以及熒光燈自身的負阻特性，可以發現隨著燈電流的減小（相當于燈的光強減弱），逆變電路的

圖3電流饋送推挽ZVS諧振逆變電路及相關波形