完整版基于有源谐波和功率因数校正原理的高性能电子镇流器的研究毕业论文Word格式.docx

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有源功率因数校正；

电子镇流器；

MC34262

Abstract

ActivePowerFactorCorrectionisoneofthemostimportantsectionsconstructingpowerelectronics,whichhasbeenwidelyusedinvariousfields.From1990s,moreandmoreattentionhasbeenpaidtoActivePowerFactorCorrection.

Thethesisanalyzestheissueofelectronicballast’spowerfactorcorrection.ItlaysstressondiscussingthenecessarycircuitconfigurationoftheHigh-performanceelectronicballastsystemandthebasictheoryofActivePowerFactorCorrection.Apowerfactorcorrectioncontroller,MC34262isintroducedanditisanactivehighpowerfactorelectronicballast.Thethesisillustrateshowtheballastcircuitconstructed,themainfeaturesofMC34262,thedetailedcircuitprinciplediagramandthemaincomponentselection.

Keywords：

APFC；

Electronicballast；

目录

1概述1

1.1镇流器的来源与发展1

1.2设计依据1

1.3设计原始资料2

1.3.1传统电感镇流器工作原理2

1.3.2电子镇流器基本介绍3

1.3.3交流电子镇流器的优点4

2设计方案6

2.1设计内容6

2.2荧光灯对电子镇流器的基本要求6

3总体电路设计与分析8

3.1总体电路设计与分析8

3.1.1总电路工作流程8

3.1.2高性能电子镇流器电路框9

3.1.3总设计电路图9

3.2整流滤波电路的设计10

3.2.1RIF（EMI）滤波器的设计10

3.2.2整流滤波电路的设计11

4电子镇流器功率因数校正控制13

4.1功率因数校正13

4.2无源谐波滤波逐流电路13

4.3有源功率因数校正16

4.3.1有源功率因数校正的基本原理16

4.3.2功率因数校正方法概述17

4.3.3MC34262有源功率因数控制器18

5电子镇流器的振荡输出部分设计21

5.1高频振荡电路的设计21

结束语22

致谢23

参考文献24

附录25

附录一元件列表25

附录二文献翻译27

1概述

交流电子镇流器具有体积小、重量轻、启动电压低、无噪声、无闪烁、效率高等优点,适应了目前中国市场上的节能和环保两大潮流,发展势头强劲。

但是目前国内市场上的绝大多数产品的性能与国际电工委员会标准要求差距很大，主要表现在电源进线电流的谐波含量大、线路功率因数太低。

这样会给电网带来污染，影响电网的利用效率。

传统的整流桥加电容结构只在输入交流电压的峰值附近才会有输入电流,滤波电容的引入又造成了交流的较大畸变，导致输入电流中含有很大的谐波成份，滤波电容越大，电流畸变越严重，功率因数也就越低,一般功率因数不会超过0.650，而且电网的高次谐波在电网中传导、辐射,严重影响了临近设备的正常工作。

为了使输入电流谐波满足标准要求,在不增加太多成本的前提下，必须考虑如何进行功率因数校正。

1.1镇流器的来源与发展

20世纪70年代出现了世界性的能源危机，节约能源的紧迫感使许多公司致力于节能光源和荧光灯电子镇流器的研究，随着半导体技术飞速发展，各种高反压功率开关器件不断涌现，为电子镇流器的开发提供了条件，70年代末，国外厂家率先推出了第一代电子镇流器，是照明发展史上一项重大的创新。

由于它具有节能等许多优点，引起了全世界的极大关注和兴趣，认为是取代电感镇流器的理想产品，随后一些著名的企业都投入了相当的人力、物力来进行更高一级的研究与开发。

由于微电子技术突飞猛进，促进了电子镇流器向高性能高可靠性方向发展，许多半导体公司推出了专用功率开关器件和控制集成电路的系列产品，1984年，西门子公司开发出了TPA4812等有源功率因数校正电器IC，功率因数达到0.99。

随后一些公司相继推出集成电子镇流器，89年芬兰赫尔瓦利公司又成功推出可调光单片集成电路电子镇流器，电子镇流器在全世界特别是发达国家已全国推广应用。

1.2设计依据

本课题设计依据有：

（1）任务书：

基于有源谐波和功率因数校正原理的高性能电子镇流器的研究任务书；

（2）设计标准：

国标GB/T15144《管形荧光灯用交流电子镇流器的性能要求》；

（3）技术参考：

《电力电子技术》（西安交通大学黄俊）。

1.3设计原始资料

本研究主要为高性能的交流电子镇流器。

1.3.1传统电感镇流器工作原理

传统电感式镇流器还在广泛使用，但传统镇流器本身是一个大电感，工作时无功分量大，所以它的功率因数低。

而且低电压启动性能差，耗能大、笨重、频闪等缺点，所以正逐渐为电子镇流器取代。

为了使荧光灯正常工作，必须满足三个条件：

a、灯丝的预热电流或灯丝电流；

b、高电压启动；

c、限制工作电流。

其工作原理如图1-1所示。

图1-1传统电感镇流器工作原理图

图中，当开关闭合电路中施加220V，50HZ的交流电源时，电流流过镇流器，灯管灯丝启辉器给灯丝加热（启辉器开始时是断开的，由于施压了一个大于190V以上的交流电压，使得启辉器内的跳泡内的气体弧光放电，使得双金属片加热变形，两个电极靠在一起，形成通路给灯丝加热），当启动器的两个电极靠在一起，由于没有弧光放电，双金属片冷却，两极分开，由于电感镇流器呈感性，当电路突然中断时，在灯两端会产生持续时间约1ms的600V-1500V的脉冲电压，其确切的电压值取决于灯的类型，在放电的情况下，灯的两端电压立即下降，此时镇流器一方面对灯电流进行限制作用，另一方面使电源电压和灯的工作电流之间产生55。

-65。

的相位差，从而维持灯的二次启动电压，使灯能更稳定的工作。

电感镇流由于结构简单，寿命长，作为第一种荧光灯配合工作的镇流器，它的市场占有率还比较大，但是，由于镇流器本身是一个大电感，工作时无功分量大，所以它的功率因数低。

而且低电压启动性能差，耗能大、笨重、频闪等诸多缺点，它的市场慢慢地被电子镇流器所取代，电感镇流器能量损耗：

40W（灯管功率）+10W（电感镇流器自身发热损耗）等于整套灯具总耗电为50W。

1.3.2电子镇流器基本介绍

电子镇流器的组成如图1-2所示。

图1-2电子镇流器基本结构图

电子镇流器是一个将工频交流电源转换成高频交流电源的变换器，其基本工作原理如图1-3所示。

图1-3高性能电子镇流器的电路结构图

工频（50/60HZ）市电电压在整流之前，首先经过射频干扰（RFI）滤波器滤波。

RFI滤波器一般由电感（L）和电容（C）元件组成，用来阻止镇流器产生的高次谐波反馈到输入交流电网，以抑制对电网的污染和电子设备的干扰。

同时也可以防止来自电网的干扰侵入的电子镇流器。

对于高品质的电子镇流器，在器全桥整流器与大容量的滤波电解电容器之间，往往要设置一级功率因数校正（PFC）升压型变换电路。

其作用就是获得底电流谐波畸变，实现高功率因数。

DC/AC逆变器的功能是将直流电变换成高频电压。

高频变换部分的核心是功率开关元件。

可作为开关使用的晶体管可使用场效应管（MOSFET）。

逆变电路一般为20-50KHZ，输出波形取决于电路结构的选择。

DC/AC逆变电路主要有半桥式逆变电路和推挽式逆变电路两种形式。

高频电子整流器的输出级电路通常采用LC串联的谐振网络。

灯的启动必须通过LC电路发生串联谐振，利用启动电容两端产生高压脉冲将灯点亮。

在灯启动之后，电感元件对灯器限流作用，由于电子镇流器的开关频率达几十千赫兹，故电感器只需很小体积即可胜任。

为使电子镇流器安全可靠地工作，还要辅助电路。

有的从镇流器输出到DC/AC逆变电路引入反馈网络，通过控制电路以保证与高频产生器同步变化。

目前比较流行的异常状态保护电路，是将电子镇流器的的输出信号采样，一旦出现灯开路或不能启动等异常状态，则通过控制电路使振荡器停振，关断高频变换器输出，从而实现保护功能。

1.3.3交流电子镇流器的优点

（1）节电效果显著。

电子镇流器的节电特征主要表现在以下三方面：

增加光输出，提高光效。

事实上，影响荧光灯光效的许多因素是由设计者和制造者决定的，用户无法控制。

但荧光灯的发光效率受供电频率的影响，而该因素是可以控制的。

对一些荧光灯的研究发现，荧光灯交流供电频率从50Hz增加到20kHz以上时，灯光效一般可提高10％。

对于同样的光输出，采用电子镇流器取代电感镇流器后，输人功率可以减小。

自身功耗低。

各种气体放电灯电感镇流器功耗一般约为灯功率的20％。

40w荧光灯电感镇流器一般为SW，只要不大于9W即可符合产品标准要求。

而这种灯用的电子镇流器功耗可低至4W以下。

对于双管58W、1500mm飞利浦出品的节能型荧光灯，当采用电感镇流器时，则需要2只，每只镇流器功耗达13w，两只则为26W但若采用电子镇流器，只需要一个则可驱动与控制2支灯，镇流器功耗仅约8W毫无疑问，双管及双管以上荧光灯采用电子镇流器后，节电效果更加明显。

双管荧光灯电子镇流器电路与单管荧光灯电子镇流器电路比较，不同点只不过是在DC／AC逆变器输出瑞多并接一个LC串联支路。

在电子镇流器自身损耗相同的情况下，灯功率愈大，节能效果则愈显著。

具有高功率因数。

大家知道，荧光灯采用电感镇流器，功率因数一般仅为0.5－0.6。

而采取功率因数校正措施的电子镇流器，系统功率因数很容易达到0.9以上，甚至能达到非常接近于1的水平，这是采用电感镇流器难以实现的。

线路功率因数的提高，在同样的发电和变电设备条件下，能够有效地提高供电能力和电源利用率，改善供电质量，节约大量的电能。

（2）体积小、重量轻、无闪烁、无噪声。

在工频条件下使用的电感式镇流器，大而笨重，要消耗掉大量的钢材和铜材，而且会使灯产生频闪效应，还会发出令人烦恼的蜂音。

电子镇流器在20kHz以上的高频下工作，消除了噪声和灯闪烁现象，避免了对一人的噪音干扰和服疲劳。

在高频下电子镇流器只需采用很小的磁性元件，使重量大为减轻。

（3）在较底的电源电压下可使荧光灯启动。

电感镇流器在电网电压降低到190V以下时，不能将灯启动。

目前我国很多地区，尤其是农村，线路电压往往底于220V的额定值。

而采用电子镇流器，即使电源电压降低到130V，在室温下仍可正常点燃。

2设计方案

2.1设计内容

交流电子镇流器有体积小，启动快速，电流稳定，功率因数高、谐波分量小等优点。

本课题的设计内容包括：

（1）电子镇流器整流滤波电路的设计；

（2）功率因数校正的电路设计；

（3）电子镇流器高频振荡电路的设计；

（4）保护电路设计；

（5）其它辅助保护功能等设计。

2.2荧光灯对电子镇流器的基本要求

当荧光灯与电子镇流器配套工作时，为保证荧光灯能正常点燃，对灯的性能不造成损害，电子镇流器必须具备以下主要功能：

（1）给灯两端提供一个足够高的启动电压，使灯点火成功。

目前，多数电子镇流器是通过u串联电路发生串联谐振产生高压脉冲，施加于灯管两端将灯启动引燃的。

对于高强度放电灯电子镇流器，必须产生3－5kV的高压点火脉冲，才能将灯启动。

这一比普通荧光灯高数倍的启动电压，一般是通过触发启动电路的升压变压器获得。

对于阴极预热式荧光灯，在灯启动点火之前，电子镇流器还必须对灯阴极进行预热，而且预热时间不小于0.4S，阴极预热电压或电流必须符合产品标准的规定要求。

（2）在灯点火之后，为灯提供一个大小合适而且稳定的工作电流。

灯电流若高于其额定工作电流，会影响灯的使用寿命。

但若灯电流偏小，则会影响灯光效。

电子镇流器的输出功率、施加于灯两端的电压和给灯提供的实际电流必须与所配接的灯参数相匹配。

（3）必须将电流谐波含量控制在标准规定限值之内，以防止对电网造成严重污染，并获得高功率因数。

如果电子镇流器不采取谐波滤波和PFC措施，输入电流波形会出现严重畸变。

过高的电流谐波含量会使交流供电电源的中线电流增大，引起中线超负荷，影响电力系统的安全经济运行。

尤其是当电子镇流器在商场这类公共场合密集使用时，往往会使电子镇流器出现成批损坏，甚至会引起火害。

同时，谐波含量还与线路功率团数密切相关。

如果对电子镇流器的电流谐波不采取抑制措施，线路功率因数会降低到0.6以下的水平，这是不能允许的。

另外，由于电子镇流器的开关频率达20－60kHz，故必须将其电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI）降低到可以接受的程度。

（4）必须具有较高的安全性与可靠性。

尽管电子镇流器较之电感镇流器具有许多突出的优点，但如果其安全性与可靠性没有最基本的保证，也将失去其实用价值。

对电子镇流器安全性及可靠性的基本要求是：

在灯没有接入或灯不能启动等异常条件下，镇流器应不受损害；

镇流器用绝缘材料，应具有足够的耐热和耐火性能；

镇流器用零部件，应具有良好的防潮湿和防腐蚀性能；

镇流器应充分具备防止意外接触带电体的保护，镇流器在故障状态下工作时，不得产生易燃气体，不得喷出火焰或熔化金属，也不得使防止意外接触带电体的保护装置受到损伤；

镇流器必须能经受住产品标准规定条件下的耐久性试验。

以上这几项基本要求，在电子镇流器产品标准GB15143和GB／Y15144中，都有明确的规定。

对荧光灯交流电子镇流器的性能要求和安全要求，是设计和生产电子镇流器的指南，是电子镇流器必须具有和达到的基本条件。

3总体电路设计与分析

3.1总体电路设计与分析

根据电子镇流器的基本要求，本文设计的高频电子镇流器主要包括整流，滤波器、功率因数校正电路、功率因数校正控制及保护电路、逆变电路、逆变控制电路等部分组成，滤波器起防止或减轻电磁干扰的作用；

功率因数校正变换器用以提高输入端功率因数及提供400VDC左右的电压；

半桥逆变电路则提供了高频交流电压，因为高强度气体放电灯需要工作于交流状态，防止极化；

点火电路则在启动瞬间提供高压用于击穿气体；

半桥逆变制及保护电路则为MOSFET提供脉冲及保护，使荧光灯能正常工作。

3.1.1总电路工作流程

总电路工作流程如图3-1所示。

图3-1总电路工作流程

3.1.2高性能电子镇流器电路框

根据电子镇流器的基本要求，电路框图如图3-2所示。

图3-2高性能电子镇流器电路框

3.1.3总设计电路图

总体电路图如图3-3所示，具体设计过程在后面论述。

图3-3总设计电路图

3.2整流滤波电路的设计

3.2.1RIF（EMI）滤波器的设计

所谓电磁干扰（EMI），是因为电磁波造成设备、传输通道或系统性能降低的一种电磁现象。

EMI的来源，既有外界的，也有内部的；

有人为的，也有非人为的因素。

事实上，每台机电、电子电器设备都可以看作是外部EMI源。

除了像无线电和电视广播那样的播送设备、手提式无线电话、雷达和电子导航系统等射频设备，还有家用电器、计算机、办公自动化设备、荧光灯。

电力线、电子测量仪钱和机动车辆等均可视为团m发射源。

这类干扰源无处不在，简直是数不胜数。

除人为的因素外，还有闪电、宇宙噪声、太阳辐射和太阳黑子等自然干扰湖。

电磁干扰会严重影响电子电气设备的正常运行，甚至会使电子元器件发生永久性的损坏。

因此，必须采取措施对其给予充分地抑制。

目前抑制EMI的技术措施有屏起、接地（浮地、本点地和接地网）与滤波。

其中，滤波技术是抑制传导干扰最有效和最经济的手段。

由于各种干扰在系统接口处最为严重，故EMI滤波器均插入到系统电源线的入口处。

荧光灯交流电子镇流器输入电路中的EMI滤波器有C型（纯电容）、L型（一个电动、一个电容）、T型（两只电感、一个电容）、π型（一个电感、两只电容）、双π型（对称绕在同一个磁芯上的两个电感、两只电容）等。

对于较大功率的电子镇流器，其输入电路中的EMI滤波器大多采用以双π型滤波器为基础的复式混合型结构。

图3-4　EMI滤波电路

在图3-4中，L1与L2、C2和C3与C4组成EMI滤波器，用于差模一共模方式的EMI/RFI的抑制。

在元件数值上，L1=L2，C1=C2，C3=C4。

L1和L2对共模干扰信号（非对称干扰电流）呈现高阻抗，而对差模信号（对称干扰电流）和电源电流呈现低阻抗，这样就保证了对电源电流的衰减甚微，而同时又抑制了电流噪声。

通常L1、L2对称地绕在同一磁芯上，这样可以常工作电流范围内，由于磁性材料产生的磁性互相补偿，从而能避免磁通饱和。

但是对于不对称干扰（共模）信号来说，这两个线同产生的磁场是相互加强的．对外呈现出的总电感明显加大，于是，对称的干扰信号就被L1、L2和C1、C2大大地抑制了。

L1、L2与C1~C4组成的EMI滤波器实际是一种低通滤波器。

由于电感对射频起阻流作用，而小电容对射频近似于短路，故能有效地抑制射频干扰。

3.2.2整流滤波电路的设计

荧光灯交流电子镇流器都是利用桥式整流电路将交流电源转换成直流电源的。

未采取功率因数校正（PFC）措施的电子镇流器，大多都是采用电解电容作为滤波器，将全桥整流电路输出的脉动直流电压变成纹波较小的平滑直流电压，作为高叛逆变器的供电电源。

图3-5整流滤波电路

所设计的整流滤波电路如图3-5所示。

图中，在单相交流电压的正半周，整流二极管VD1、VD2导通，电流流过VD1、负载和VD2，回到交流电源的负端。

当VD1、VD2正向导通时，VD3、VD4因加反向电压而截止。

在交流电压的负半周，VD1、VD2截止，VD3、VI4导通，电流流经VD3、负载和VD4，回到交流电源的负端。

由此可见，负载在一个周期内都有电流流过，而且始终是一个方向。

若不加滤波电容C1、，桥式整流器输出脉动直流电压，频率是交流输入电压频率的2倍，并保持正弦半波波形。

加了滤波电容C1之后，通过C1周期性地充电和放电，则可获得纹波比较小的直流电压。

由于只有在交流输入电压瞬时值高于整流滤波电压时，桥式镇流器中的二极管才因正向偏置而道通，而在交流输入瞬时电压幅值底于整流滤波电压，整流二极管则因反向偏置而截止，故整流二极管只有在交流电源电压峰值附近才道通，道通角θ远小于π。

由于大容量滤波电容C1的存在，交流输入电流IAC波形出现严重畸变，不再是正弦波形，而呈现幅值很大的尖峰脉冲。

这种电流波形的高次谐波含量很高，致使线路功率因数降低到0.5-0.65，这是人们所不期望的。

解决这个问题的技术措施就是采用PFC电路。

而本设计则采用了比PFC电路更好的APFC电路。

在本设计中整流电路是配合功率因数一起做用的，滤波用电解作为最后的输出级，为了保证变换器的正常工作，一般要求输出的电压比输入的峰值电压高15%左右，对220V的交流电，输出的电压大约为400V左右，故电解的容量为47μ,耐压450V，而4个二极管可选用1N4007。

4电子镇流器功率因数校正控制

4.1功率因数校正

功率因数校正（英文是PowerFactorCorrection，缩写为PFC）亦称谐波滤波，是荧光灯交流电子镇流器的关键技术之一。

为了减少镇流器输入电流的谐波失真，必须采取一些特殊措施，通常称之为功率因数校正技术来提高它的功率因数。

大致说来，功率因数校正有两种方案：

无源功率因数校正（PassivePFC）和有源功率因数校（ActivePFC）。

4.2无源谐波滤波逐流电路

电子镇流器整流电路后加电容滤波后虽然能产生脉动很小的直流电压,但是交流电源侧的电流畸变厉害,变成尖顶波,原因是只有当交流电源的瞬时电压高于整流侧的电压时,二极管才会导通,并且滤波电容越大,电流畸变的越厉害.如果采用较小滤波电容,甚至不用滤波电容,虽然可以得到较高的功率因数,但是灯电流波峰比会比较高,而且还可能出现灯闪烁,开关晶体管击穿等缺点,不能达到GB15143,GB15244等标准.采用PPFC技术后能增大二极管的导通角,抑制交流电源电流的畸变（减小THD）,提高线路功率因数,减少对输电线路上其他电气设备危害.这里主要介绍逐流电路这种PPFC技术。

如图4-1所示，桥式整流电容滤波电路的输入电源电压、电流和输出直流电压波形可以看出，只有在瞬时值高于电容C1上的电压的，整流二极管才导通。

虽然所获得的直流电压比较平滑，但整流二极管的导通角由于明显减小，才导致电源电流波形失真。

PFC电路的基本功能就是增大整流二极管的导通角，抑制电源电流的波形畸变，提高线路功率因数。

图4-1桥式整流电容滤波波形

所谓逐流，意指电子镇流器交流输入端的电源电流追逐电源电压瞬时变化轨迹，既含有追逐、又含有续流之内涵。

典型以逐流电路如图4-2所示。

这种无源谐波滤波网络由两个电容C1、C2和三个二极管VD5－VD7组成，用以替代普通桥式整流电容滤波电路中的单只滤波电容。

图4-2无源谐波滤波逐流电路

由两个电容和三个二极管组成的无源滤波电路，最早出现于美国的120V、NCll。

电子镇流器中。

进入90年代后，它在我国开始流行。

由于APFC控制器IC的飞速发展及其广泛应用，逐流电路在发达国家早就销声匿迹了。

但由于其可以将线路功来因数轻而易举地提高到0．9以上，电源电流谐波总含量可以降低至30％左右．达到H级水平．比较经济实用．故该谐波滤波电路在我国仍未被淘汰。

逐流电路的工作原理基于降低输出直流电压．在每一个半周期内，将交流输入电压高于直流输出电压的时间拉长，整流二极管的导通角就可以增大，电