针对电子镇流器的电路原理及应用进行研究分析

一、什么是镇流器?镇流器连接在电源和一个或多个放电灯之间，主要用来把灯的电流限制到要求的值的一种部件。它可能包括改变供电电压和(或)频率、提高功率因数的器件，即可以单独地也可以和启辉器一起给灯的启动提供必要的条件。而交流电子镇流器是指安装在电源与一个或几个荧光灯之间，将电源的交流电变换为较高频率的交流电，使灯(单支或多支)正常启动和稳定工作的变换器或电子装置。

二、镇流器的分类1、从工作原理上可分：电感镇流器和电子镇流器

2、按安装模式可分为：独立式、内装式、整体式

3、从启动方式上分为：预热启动式、冷启动式(或瞬时启动)

三、镇流器工作原理1、电感镇流器工作原理

如下图，施加220V 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，点亮灯管，其确切的电压值取决于灯的类型。

此外，在灯管放电的情况下，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。

电感镇流器由于结构简单，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，由于它的功率因数低，低电压启动性能差，耗能笨重，频闪等诸多缺点，它的市场慢慢地被电子镇流器所取代。

2、电子镇流器工作原理如下图，市电经过射频干扰(RFI)滤波器，全波整流和功率因数校正器(PPFC或APFC)后，变为直流电源。通过DC/AC变换器，输出20K—100KHZ的高频交流电源，加到与灯连接的LC串联谐振电路加热灯丝，同时在电容器上产生谐振高压，加在灯管两端，促使灯管“放电”变成“导通”状态，再进入发光状态，此时高频电感起限制电流增大的作用，保证灯管获得正常工作所需的灯电压和灯电流，为了提高可靠性，常增设各种保护电路、如异常保护、浪涌电压、电流保护、温度保护等等。

电路结构如图1所示。图中RFI和EMI滤波器将来自电网的传导射频干扰和电磁干扰滤除，同时阻碍镇流器电路产生的传导射频及电磁干扰进入电网。桥式整流电路将输入交流变换成直流。功率因子校正电路则起改善输入交流电流波形的作用，确保输入电流正弦化并与输入电压同相位，实现功率因子接近或等于1。逆变电路完成直流高压向高频交流的变换，通过灯电路网络将输入功率最终传输给荧光灯管。灯网络除了传递电功率之外，还将实施荧光灯灯丝的预热、灯管工作状态信号的取样和反馈。灯工作状态的反馈信号取自功率因子校正电路和调光信号，经控制电路处理得到正确的逆变电路中开关器件的驱动脉冲。

传统的磁性镇流器使用工作于60Hz的铁芯电磁元件.工作时会产生闪烁和可闻噪声。磁性镇流器内部无功率因数校正(IWC)电路，而将PFC电路加入其内部也很困难，其输入电流电压相位不一致。含有大量的谐波分量，满足不了镇流器谐波低于照明系统谐波电流的IEC 61000—3—2C级国际标准。并且，由镇流器产生的任何谐波也会对其他连接在同一电源上的电子系统造成影响。

电子镇流器的出现向磁性镇流器提出了挑战。它能弥补传统磁性镇流器的不足，工作时不仅无闪烁和可闻噪声，而且可以轻易地加入功率因数校正，具有良好的高功率因数(PF)和低总谐波失真(THD)特性。传统电子镇流器控制器由分离的控制IC、栅极驱动IC和PFC IC构成。IR2166/IR2167是国际整流器公司推出的电子镇流器控制器.是新一代电子镇流器控制集成电路的代表。这二款器件采用单芯片方案.除降低系统成本，减少元件数量外，也简化了安装，提高了可靠性，节省了设计时间，在电子镇流器控制电路中得到了广泛应用。

2 内部结构及引脚功能

IR2166dR2167采用DIP和SOIC 2种封装，IR2166为20引脚，IR2166为16引脚。它们具有相同的PFC控制，不同的镇流器控制。此外，IR2167还具有欠电流保护、低于谐波点保护和热过载保护等特性。IR2166的引脚排列如图l所示，其引脚功能如表1所列。

3 PFC功能

3.1 PFC控制方式

功率因数校正(PFC)是IR2166/IR2167的主要功能。二者具有相同的PFC控制，内部都含有1个有源功率因数校正电路。

IR2166/IR2167可以针对交流输入电压产生交流输入电流。实现的控制方法基于工作于临界导通模式(CCM)的升压型变换器。如图2所示。

即在PFCMOSFET的每个开关周期，电路一直等待到电感器电流放电到零时才再次开通PFC MOSFET。PFCMOSFET的开关频率(>10kHz)远大于电网频率(50Hz一60Hz)。

开关管MPFC开通时，电感器LPFC接到整流输出的正端(+)和负端(一)，LPFC电流线性增加。当MPFC关断时，LPFC连接于整流输出的正端和直流母线电容器Cm;(通过二极管DOFC，LPFC中电流流向CBUS。由于MPFC以高频工作，CBUS电压被充到特定的电压。反馈回路通过连续检测直流母线电压和相应地调节MPFC的开通时间将电压调整到固定值。若直流电压上升.则开通时间减小.若直流电压下降，则开通时间增加。由于这个负反馈控制是低速和低增益的，因此电感器平均电流平滑地跟随低频电网电压，从而实现高功率因数和低THD。在多个电网电压周期内，MPFC的开通时间是固定的。因为开通时间固定，关断时间由电感器的电流释放到零决定，结果是系统的频率可自由改变.并连续地从交流电压过零附近的高频过渡到交流电压达到峰值时的较低频率。

交流电压较低(过零附近)时，电感器电流升到较小的值.放电较快，因此开关频率高。交流电压较高(峰值附近)时，电感器电流升到较高的值，放电时间较长，频率较低。三角形PFC电感器电流被E-MI滤波器平滑而产生正弦交流电流。

3.2 PFC控制电路

IC内部PFC控制简化电路如图3所示。以内部4V电压为参考.调节VBUS实现直流母线电压的调整。反馈回路是传导可调(OTA)放大器，其灌或拉电流流向外部COMP脚的电容器。COMP脚的电压为内部电容器Cl充电的阈值，决定MPFC的开通时间。在镇流器预热和触发期间，OTA的增益设定较高，给直流母线电容器快速充电，减小可能发生在触发期间的直流母线电容器的瞬态冲击。在运行期间，增益调整到较低的水平，获得高功率因数和低THD。

MPFC关断时间决定于LPFC放电到零的时间。由连接到ZX脚的L。二次侧绕组检测零电流。关断时间始于超过电路内部2V阈值的上升沿。当LPFC电感器电流放电到零时，关断时间止于低于电路内部1.7V阈值的下降沿，MPFC随之再次开通，PFC时序如图4。此过程不定周期地重复，直到镇流器出现故障而关闭PFC功能(故障模式)。如果直流母线电压过压或欠压，或ZX脚没有检测到下降负沿，Mnc将保持关断，直到内部定时器强迫MPFC开通，而开通时间由COMP脚的电压决定。定时器脉冲每400ms不定期发生，直到ZX脚出现正确的上升和下降沿信号，PFC正常工作为止。

2.1功率因子校正电路

系统的功率因子(PowerFactor，PF)，定义为

PF=γcosφ1(1)

式中γ=I1/IRMS，是输入电流的基波有效值与输入总电流有效值之比，称电流的失真因子(DistortionFactor,DF)，φ1为基波电流与电压的相移角。

如果系统的输入电压与电流无相移(即系统为纯电阻性)，且无任何谐波分量(即DF=1)，该系统的PF必然等于1。遗憾的是，目前绝大多数电子设备与工频电网相接的输入整流滤波单元都采用不控二极管和大容量电解电容器组成，网侧电流的瞬时值相当高(一般约为IRMS的2倍～3倍)，持续时间非常短(通常不超过4ms)，呈严重非正弦化特征，故系统的PF远低于1。功率因子校正就是针对传统不控整流电路的弊病，采取相应的电路措施，在提高系统DF值的同时，尽量减小输入基波电流和电压的相移，最终实现PF值等于1的目标。图2所示为电子镇流器中常用的升压型有源功率因子校正电路。控制电路以输入电压信号作基准，输入电流和输出电压信号的乘积作调制源，得到正弦脉宽调制(SPWM)信号给升压型DC/DC功率变换电路，以调节功率开关的通、断时间比，最后获得稳定的直流高压。升压型功率变换电路中的功率开关器件，由于在控制电路输出的SPWM信号驱动下高速通、断，故可确保流经与整流桥相串联的电感中的电流波形为正弦波，且与输入电压同相，从而得到系统输入电流的失真因子γ=1和φ1=0,即cosφ1=1,实现系统功率因子为1。

2.2逆变电路

逆变电路最主要的功能是将经功率因子校正电路输出的高压直流变换为供荧光灯使用的高频交流。图3所示为电子镇流器中最常用的电流馈送推挽零电压开关(ZeroVoltageSwitching，ZVS)谐振逆变电路及其相关波形。图中功率MOSFET推挽管(V1和V2)在占空比为50%的驱动脉冲驱动下交替地通、断，并在功率变压器初级电感和电容构成的并联谐振回路中电流过零时换向，实现零电压开关(ZVS)，对高压直流实行斩波。零电压开关能消除与MOSFET管的输出电容和寄生电容充电相关的开关损耗，而且栅极驱动电荷最小，有利于减少栅极的损耗。图3右侧所示为功率变压器初级所呈现的电压和流过的电流波形。由于功率变压器次级耦合得到的高频交流是直接馈送至灯路网络的，故灯电流(即功率变压器次级电流)与逆变电路的输出电流(即功率变压器初级电流)不存在相移。考虑到灯网络的总阻抗在高频时会减小，以及荧光灯自身的负阻特性，可以发现随着灯电流的减小(相当于灯的光强减弱)，逆变电路的输出电流将会增加。

2.3灯电路网络

灯电路网络除须将逆变电路输出的高频交流功率输送给灯管，完成电-光的高效转换外，还包括诸如灯丝预热、灯电流检测反馈以及整个电子镇流器系统的辅助供电源等功能。图4为实用双灯管灯电路网络的实例。图中功率变压器T初级接逆变电路，通过电容直接向灯管输送灯正常发光所需的灯电流，次级绕组则向灯管提供预热和维持工作的灯丝电流。电流互感器TA执行对灯电流的检测和传感，通过灯电流的变化随时将有关灯工作情况的信号送往控制电路。控制电路可根据灯电流的大小(甚至包括灯管脱连和断路)，判断灯的发光强弱，然后向逆变电路发送相应的控制信号。

2.4控制电路

高性能电子镇流器专用的控制电路应该具有包括功率因子校正、灯光调节、开灯预热、灯管断路警报、灯再起动程序调控等一系列功能。目前，国内外器件市场上出现的一些供电子镇流器用的集成电路控制器，基本上多是以PFC控制为主，适当添加灯路控制功能，或通过外部电路实施灯路控制的产品。相关产品列于表2，以供参考。值得强调的是，表2所列产品中，真正称得上高性能电子镇流器专用的集成控制器只有美国微线性公司的ML4830/31/32/33系列产品。