1 引 言
电 子 镇 流 器 是 取 代 传 统 的 电 感 镇 流 器 而 与 荧 光 灯 配 用 的 新 型 镇 流 器 ， 是 实 现 绿 色 照 明 的 关 键 产 品 。 照 明 用 电 约 占 人 类 总 发 电 量 的20％ ， 电 子 镇 流 器 的 推 广 使 用 ， 将 可 以 使 照 明 用 电 节 约 20％ 以 上 ， 加 之 它 能 使 荧 光 灯 发 出 的 光 柔 和 、 无 频 闪 ， 有 利 于 人 类 眼 睛 的 保 护 ， 因 此 ， 高 性 能 电 子 镇 流 器 的 研 究 和 生 产 受 到 了 国 内 外 的 广 泛 重 视 。
就 高 性 能 电 子 镇 流 器 而 言 ， 目 前 最 为 关 键 的 技 术 指 标 之 一 ， 即 它 的 电 源 进 线 电 流 的 总 谐 波 含 量 大 小 及 线 路 功 率 因 数 的 高 低 。 如 果 电 子 镇 流 器 电 源 进 线 电 流 的 谐 波 含 量 大 ， 就 会 给 电 网 带 来 污 染 ， 至 于 电 子 镇 流 器 的 线 路 功 率 因 数 的 高 低 也 会 直 接 关 系 到 电 网 的 利 用 效 率 。 为 了 减 少 对 交 流 电 网 的 污 染 ， 目 前 国 内 外 已 经 推 出 了 一 些 限 制 电 流 谐 波 的 标 准 ， 如 国 际 电 工 委 员 会(iec)根 据 国 际 上 电 子 镇 流 器 的 发 展 情 况 ， 几 年 前 成 立 了 专 门 的 技 术 小 组 对 有 关 技 术 问 题 和 标 准 进 行 了 研 究 ， 并 已 颁 布 了 相 应 的 iec标 准 iec1000－ 3－ 2 class c[1]。
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 有 输 入 电 流 ， 导 致 输 入 电 流 中 含 有 很 大 的 谐 波 成 份 ， 远 不 能 达 到 标 准 的 要 求 。 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 。 近 年 来 国 内 已 经 开 始 了 这 方 面 的 研 究 工 作 ， 但 是 由 于 起 步 较 晚 ， 目 前 的 研 究 还 未 达 到 推 广 应 用 的 水 平 。 为 此 ， 本 文 首 先 介 绍 了 功 率 因 数 校 正 的 基 本 原 理 ， 然 后 全 面 介 绍 单 级 功 率 因 数 校 正 技 术 在 电 子 镇 流 器 中 的 应 用 。
2 功 率 因 数 校 正 的 基 本 原 理
功 率 因 数 （pf） 定 义 为 交 流 输 入 实 功 同 输 入 视 在 功 率 之 比 ， 即
式 中 ：p=vi1cosα 。
因 此
式中
γ 表 示 基 波 电 流 的 相 对 值 ， 称 为 波 形 畸 变 因 数 ， cosα 称 为 位 移 因 数 。 即 功 率 因 数 为 畸 变 因 数 和 位 移 因 数 的 乘 积 。 要 达 到 功 率 因 数 为 1,系 统 的 输 入 电 流 与 输 入 电 压 必 须 同 相 ，而 且 输 入 电 流 无 任 何 谐 波 分 量 。
功 率 因 数 校 正 的 方 法 包 括 无 源 校 正 技 术 （passive pfc） 和 有 源 校 正 技 术 （ active pfc） 两 种 。 无 源 校 正 技 术 方 法 简 单 ， 但 是 电 路 中 必 须 有 大 电 感 或 大 电 容 ， 而 且 校 正 后 功 率 因 数 也 不 可 能 很 高 。
有 源 功 率 因 数 校 正 可 以 分 为 两 类 ： 一 类 是 两 级 结 构 ， 另 外 一 类 是 单 级 结 构 。 两 级 结 构 可 以 采 用 很 多 种 拓 扑 结 构 ， 但 是 目 前 应 用 最 广 泛 的 是 升 压 型 （boost） 功 率 因 数 校 正 电 路 ， 其 功 率 因 数 高 （ >;0.99） ， 总 谐 波 失 真 小 (< 5％ )。 该 电 路 的 缺 点 是 所 需 元 器 件 多 ， 成 本 高 。 为 了 减 少 电 子 镇 流 器 的 元 器 件 数 量 ， 降 低 成 本 ， 可 以 将 pfc电 路 和 负 载 电 路 合 并 起 来 成 为 一 级 。 单 级 功 率 因 数 校 正 的 主 要 优 点 是 功 率 因 数 高 ， 结 构 简 单 ， 成 本 低 等 。 它 的 主 要 缺 点 是 pfc电 路 和 负 载 电 路 相 关 联 ， 电 路 的 设 计 比 较 复 杂 ， 因 此 是 目 前 电 力 电 子 领 域 内 研 究 的 一 个 热 点 。
3 单 级 功 率 因 数 校 正 电 子 镇 流 器
从 原 理 上 说 ， 用 电 感 和 电 容 都 可 以 实 现 功 率 因 数 校 正 。 单 级 功 率 因 数 校 正 电 子 镇 流 器 因 此 可 以 分 为 三 类 。
3.1 采 用 电 感 的 单 级 功 率 因 数 校 正 电 子 镇 流 器[2－ 8]
采 用 电 感 的 单 级 功 率 因 数 校 正 可 以 分 为 三 种 ， 分 别 是 由boost变 换 器 ， buck变 换 器 及 buck boost变 换 器 与 半 桥 逆 变 器 集 成 。
1） boost变 换 器 与 半 桥 逆 变 器 组 成 的 单 级 功 率 因 数 校 正 电 子 镇 流 器
图1所 示 的 是 传 统 的 由 boost变 换 器 和 半 桥 逆 变 器 组 成 的 单 级 功 率 因 数 校 正 电 子 镇 流 器[2－ 3]。 其 中 半 桥 逆 变 器 在 本 文 中 都 采 用 d类 串 联 谐 振 并 联 负 载 电 路 ， 该 电 路 的 特 性 在 此 不 做 详 细 介 绍 。 该 电 路 把 boost 开 关 和 半 桥 开 关 结 合 在 一 起 ， 从 而 省 去 了 一 个 开 关 和 它 的 控 制 电 路 。 只 要 boost电 感 l2工 作 在 断 续 状 态 就 可 以 得 到 很 高 的 功 率 因 数 。 这 个 电 路 的 主 要 缺 点 是 在 上 下 开 关 占 空 比 固 定 为 0.5的 情 况 下 ， 输 出 直 流 母 线 电 压 要 高 于 输 入 电 压 峰 值 的 2倍 ， 对 开 关 和 直 流 电 容 c2的 耐 压 要 求 很 高 ， 因 此 这 个 电 路 只 适 合 于 用 在 输 入 电 压 较 低 的 场 合 。 另 外 ， 由 于 这 个 电 路 中 boost电 感 必 须 工 作 在 断 续 状 态 ， 所 以 流 过 开 关 的 电 流 峰 值 高 ， 开 关 导 通 损 耗 大 ， 且 对 输 入 滤 波 的 要 求 也 高 。
为 了 解 决 直 流 母 线 电 压 过 高 的 缺 点 ， 有 人 提 出 了 一 些 新 的boost单 级 功 率 因 数 校 正 拓 扑 。
图2所 示 的 是 一 种 低 直 流 母 线 电 压 的 电 路[4]， 在 图 中 整 流 后 的 直 流 电 压 被 两 个 电 容 c3， c4均 分 ， boost电 路 的 输 入 电 压 相 当 于 传 统 电 路 的 一 半 。 由 于 boost电 路 等 效 的 输 入 电 压 降 低 了 一 半 ， 所 以 达 到 同 样 高 的 输 入 功 率 因 数 ， 直 流 母 线 的 设 计 和 工 作 电 压 也 可 以 降 低 一 半 ， 即 略 高 于 输 入 电 压 的 峰 值 即 可 。 boost 电 感 l2也 工 作 在 临 界 连 续 状 态 ， 因 此 对 减 小 开 关 管 的 电 流 应 力 和 输 入 滤 波 器 的 设 计 也 有 很 大 的 好 处 。
把 图2中 的 boost电 感 拆 成 两 个 分 别 与 上 下 的 二 极 管 相 连 ， 就 可 以 得 到 如 图 3所 示 的 电 路[5]。 图 3中 有 两 个boost 子 电 路 。 由 于 每 个 boost电 路 的 输 入 电 压 跟 图 2一 样 ， 都 是 输 入 电 压 的 一 半 ， 所 以 直 流 母 线 的 电 压 也 只 需 比 输 入 电 压 峰 值 略 高 即 可 。 另 外 由 于 两 个 boost电 路 的 输 入 电 流 相 交 错 ， 因 此 总 的 输 入 电 流 的 纹 波 会 减 小 ， 有 利 于 输 入 滤 波 器 的 设 计 。
2） buck变 换 器 和 半 桥 型 逆 变 器 组 成 的 单 级 功 率 因 数 校 正 电 子 镇 流 器
buck 变 换 器 在 功 率 因 数 校 正 上 应 用 的 比 较 少 ， 因 为 它 的 输 入 电 流 在 过 零 附 近 有 死 区 （ 输 入 电 压 低 于 输 出 电 压 ） ， 因 此 只 有 在 输 出 电 压 比 较 低 的 场 合 才 有 机 会 应 用 。
图4所 示 的 就 是 由 buck变 换 器 和 半 桥 逆 变 器 组 成 的 单 级 功 率 因 数 校 正 电 子 镇 流 器[6]。
只 要 适 当 地 设 计 输 入 电 流 的 导 通 角 （>;130° ） ， 并 且 使 buck电 路 工 作 在 断 续 的 工 作 模 式 ， 输 入 电 流 就 可 以 满 足 iec 1000- 3- 2 class c的 要 求 。
由 于 直 流 母 线 电 压 即buck电 路 的 输 出 电 压 要 设 计 得 比 较 低 ， 因 此 给 后 面 的 逆 变 器 的 设 计 带 来 了 一 些 困 难 （ 包 括 灯 的 启 动 电 压 和 正 常 工 作 电 压 的 要 求 ） ， 因 此 这 个 电 路 比 较 适 合 于 用 在 输 入 电 压 较 高 的 场 合 (如 230 v)。
3） buck- boost变 换 器 和 半 桥 逆 变 器 组 成 的 单 级 功 率 因 数 校 正 电 子 镇 流 器
图5所 示 的 就 是 由 buck- boost变 换 器 和 半 桥 逆 变 器 组 成 的 单 级 功 率 因 数 校 正 电 子 镇 流 器[7]。
d8在 这 个 电 路 中 是 必 需 的 。 如 果 没 有 d8,则 当 开 关 s1导 通 ， s2关 断 时 ， 二 极 管 d10将 会 一 直 承 受 反 向 电 压 ， l2中 的 电 流 将 通 过 d5及 s1对 c2充 电 ， 而 不 是 直 接 经 过 d10向 c2提 供 能 量 。 加 上 d8后 ， s1导 通 ， s2关 断 后 ， l2给 电 容 c2充 电 ， 电 流 线 性 下 降 直 到 零 ， 为 了 得 到 高 的 功 率 因 数 ， l2一 般 工 作 在 断 续 状 态 。 另 外 由 于 d8的 存 在 ， s2的 体 二 极 管 无 法 流 过 反 向 电 流 ， 因 此 必 须 另 外 加 一 个 反 向 二 极 管 d9来 流 过 谐 振 电 流 实 现 s2的 zvs。
这 个 电 路 的 优 点 是 直 流 母 线 的 电 压 也 可 以 比 较 低 ， 而 且 只 要 使l2工 作 在 断 续 状 态 ， 就 可 以 得 到 很 高 的 功 率 因 数 （ >;0.99） 和 低 的 thd(< 10％ )。
把l2换 成 一 个 反 激 变 压 器 ， 就 是 一 个 包 含 反 激 电 路 的 单 级 功 率 因 数 校 正 电 路 ， 可 以 应 用 在 低 功 率 的 ac/dc电 源 中 。
3.2 采 用 电 容 的 单 级 功 率 因 数 校 正 电 子 镇 流 器
由 于 电 感 的 体 积 大 ， 制 作 成 本 高 ， 因 此 研 究 人 员 就 开 始 探 索 如 何 用 电 容 来 进 行 功 率 因 数 校 正 。 其 中 电 压 源 、 电 流 源charge pump电 路 就 是 其 中 的 代 表 。 下 面 以 电 压 源 charge pump电 路 为 例 进 行 分 析[8]。
图6 所 示 的 就 是 电 压 源 charge pump电 子 镇 流 器 的 原 理 图 。 图 中 c2是 储 能 电 容 ， cin是 能 量 存 储 和 释 放 电 容 ， 即 实 现 功 率 因 数 校 正 的 电 容 。 灯 管 （ r） 两 端 的 电 压 假 定 是 一 个 高 频 电 压 源 ua， 随 着 ua的 高 频 振 荡 ， da和 db交 替 导 通 。 当 da导 通 ， db截 止 时 ， 输 入 通 过 da对 cin充 电 。 当 db导 通 ， da截 止 时 ， cin通 过 db向 输 出 提 供 能 量 。 因 此 不 论 输 入 电 压 的 高 低 ， 在 每 个 高 频 周 期 里 ， 输 入 都 有 能 量 通 过 cin提 供 给 输 出 ， 从 而 实 现 功 率 因 数 校 正 的 目 的 。
这 个 电 路 存 在 两 个 问 题 ： 首 先 ， 输 入 功 率 因 数 达 到1的 条 件 很 难 满 足 ， 必 须 另 外 加 器 件 ,如 钳 位 二 极 管[9]。 其 次 ， 当 da或 db导 通 时 ， cin和 cr并 联 参 与 谐 振 ， 导 致 谐 振 电 容 随 着 输 入 电 压 的 变 化 而 变 化 ， 其 结果 导 致 灯 管 电 流 的 波 峰 比 过 高 （>;2.1） ， 影 响 灯 的 寿 命 。
3.3 采 用 电 容 和 电 感 的 单 级 功 率 因 数 校 正 电 子 镇流 器
图7所 示 的 就 是 由 buck变 换 器 和 电 流 源 charge pump共 同 组 成 的 电 子 镇 流 器 的 原 理 图 [10]。 在 图 中 ， lb， d5， s2， c3以 及 s1及 其 体 二 极 管 组 成 了 一 个 buck电 路 。 da， db， cin， s2， s2以 及 谐 振 电 路 则 组 成 了 一 个 电 流 源 charge pump电 路 。
随 着 输 入 电 压 的 不 同 ， 电 路 工 作 在 两 种 不 同 的 工 作 模 式 。 当 输 入 电 压 比 较 低 的 时 候 ，buck电 路 不 工 作 ， 此 时 由 电 流 源 charge pump电 路 进 行 功 率 因 数 校 正 ； 当 输 入 电 压 比 较 高 时 ， buck电 路 和 电 流 源 charge pump电 路 同 时 从 输 入 端 吸 取 能 量 ， 实 现 功 率 因 数 校 正 。 因 此 ， c2两 端 的 电 压 波 形 与 传 统 的 填 谷 式 功 率 因 数 校 正 电 路 （ valley fill） 的 直 流 母 线 电 压 相 似 。
这 个 电 路 与 电 压 源charge pump电 路 相 比 有 两 个 优 点 ： 首 先 ， 在 预 热 启 动 时 ， 直 流 母 线 电 压 会 低 一 些 ； 其 次 ， c2两 端 的 电 压 对 灯 管 电 流 的 作 用 正 好 与 输 入 电 压 对 灯 管 电 流 的 作 用 相 反 ， 因 此 可 以 明 显 地 改 善 波 峰 比 （ < 1.7） 。
采 用 电 容 和 电 感 的 单 级 功 率 因 数 校 正 技 术 还 可 以 应 用 在 一 些 改 进 的 填 谷 式 功 率 因 数 校 正 电 路 中 。 虽 然 电 路 的 复 杂 程 度 有 所 增 加 ， 但 往 往 可 以 得 到 很 好 的 性 能 。
4 结 语
单 级 功 率 因 数 校 正 的 电 子 镇 流 器 具 有 电 路 简 单 ， 成 本 低 等 优 点 ， 但 分 析 设 计 比 较 复 杂 。 功 率 因 数 校 正 可 以 由 电 感 或 电 容 来 实 现 ， 而 电 感 功 率 因 数 校 正 可 以 采 用boost型 ， buck型 以 及 buck boost型 ， 它 们 各 有 优 缺 点 。 电 容 功 率 因 数 校 正 电 路 简 单 ， 但 波 峰 比 较 高 。 而 采 用 电 容 和 电 感 的 单 级 功 率 因 数 校 正 则 可 以 得 到 较 好 的 综 合 性 能 。 在 实 际 应 用 中 要 根 据 输 入 电 压 范 围 ， 输 出 功 率 以 及 电 路 成 本 等 多 方 面 因 素 ， 设 计 合 适 的 具 有 功 率 因 数 校 正 的 电 子 镇 流 器 。
参 考 文 献
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