新型充电泵高功率因数电子镇流器
新型充电泵高功率因数电子镇流器
摘要：介绍一种新型充电泵高功率因数电子镇流器的工作原理、电路设计方法及控制方法，实验结果表明该电子镇流器具有恒功率输出、高功率因数及低波峰系数的优良特性。
关键词：电子镇流器；谐振；频率控制；功率因数校正
1引言
电子镇流器与电感式镇流器相比具有工作电压范围宽、重量轻、无噪音、功率因数高、功耗低及发光效率高等优点，因而受到广泛的欢迎。但目前国内使用的电子镇流器在性能方面还有待进一步提高。比如，如何进一步提高功率因数，降低输入端电流的总谐波含量，在宽工作电压范围内如何保持恒定的灯功率，如何降低灯电流波峰系数，延长灯管使用寿命。本文介绍的这种新型电子镇流器在这些方面取得了新的进展，并具有电路结构简单、成本低的优点，达到较高的技术水平。
2充电泵电子镇流器主电路工作原理
这种新型充电泵高功率因数电子镇流器主电路如图1所示。图中vi为工频交流输入电压,lf、cf为高频滤波元件。稳态工作时，由于充电泵的作用，cb两端直流电压高于全波整流电压的峰值。又由于lx的作用，使流过lx的电流在每一开关周期中都是连续的。正常工作时，日光灯可用一电阻rl表示。lrcr构成灯谐振支路，cd相对于cr、cin容量较大起隔直作用。s1、s2均为双向开关。由于开关频率远远高于工频电源频率，可以认为在一个开关周期内|vi|为一恒定值。并且cd可以认为短路。考虑到在一个开关周期内cb中电压波动较小，分析时可用一恒压源vb代替。一个开关周期可分为四个工作阶段，主要工作波形如图2所示，各阶段等效电路如图3所示，各电流正方向如图3所示，流过dy的电流为iy,m点的电位为vm。
阶段1[t0～t1][图3（a）]在t0以前，s1关断，s2导通，dy导通，vcin=0，cin无储能，ix>ir,随着ir的上升，iy减小。在t0时刻，iy=0,dy自然关断，ix=ir。在t0以后，ir按正弦规律上升，ir>ix,ir与ix的差值电流对cin充电，vcin上升。随vcin上升，vm下降，lx两端电压增加，导致ix上升。在t1时刻ix=ir，vcin达最大，此时关断s2，进入下一工作阶段。
阶段2[t1～t2][图3（b）]在t1时刻s2被关断，
图1新型电子镇流器主电路
新型充电泵高功率因数电子镇流器
图2主要工作波形
ir流经s1体二极管。在t1后，ix>ir，ix与ir的差值电流使电容cin放电，vcin下降，ir从正向下降到零。在ir流经s1体二极管期间开通s1管，则s1具有零电压和零电流开通特性。随着vcin下降，vm上升，lx两端电压下降，ix上升缓慢，ir经零点反向后，流经s1管，当cin放电完毕，二极管dy导通，ix与ir都流过dy，vm=vb，进入下一工作阶段。
阶段3[t2～t3][图3(c)]在t2时刻，二极管dy导通，vm=vb，lx两端电压小于零，所以ix减小，ir为反向振荡波形，在t3时关断s1。
阶段4[t3～t4][图3(d)]在t3时刻关断s1，ir负电流经s2体二极管。随着ir负向衰减到零，ir正向通过s2。当ir增大到与ix相等时，流经dy电流为零，dy自然关断。若在s2体二极管导通时开通s2管，则s2具有零电压零电流开通特性。这一阶段工作结束后，又回到阶段1。
稳态工作时，ix在一个开关周期内的平均值为ixav，在对每一工作阶段列出状态方程并求解之后[1]，可计算出ixavixav=(ixdt)/ts
=2|vi|/(z0ω0ts)＋〔2irω0cos(ωst0)/(ωs＋ω0)－
2vb/(z0ω0ts)＋p0/vi,p〕(1)式中：ω0=1/；z0=；
ts=1/fs为开关周期；
ωs=2πfs；
p0为输出功率；
vi,p为交流输入电压的峰值；
ir为ir幅值。
当满足下列条件时ir=(－)(2)
输入电流与输入电压同相，且为正弦型，即
ixav=2|vi|/(z0ω0ts)
3主电路参数设计
设灯功率p0，灯电压有效值v0，灯电阻rl，额定
(b)t1～t2
(c)t2～t3
(d)t3～t4
图3各工作阶段等效电路
(a)t0～t1
图4控制原理图
工作频率fs，预设定工作效率η，额定输入电压vi。
3?1lx和cin的设计
在满足式（2）条件时，瞬时输入功率
pi(t)=viixav=2|vi(t)|2/(z0ω0ts)
在一个工频周期内的平均输入功率为
pi=fsvi,p2/(ω0z0)
因为p0=ηpi=ηfsvi,p2/(ω0z0)
则cin=p0/(ηfsvi,p2)（3）
如果ω0≈（2/3）ωs时，能较好实现功率因数校正[1]
则lx=9ηvi,p2/(16π2fsp0)（4）
3?2lr和cr的设计
在一个开关周期内，lr、cr、rl支路的激励电压近似为方波，为简化计算只考虑基波成份，则灯负载rl两端电压有效值为
v0=（5）式中：ωp=；
rl=v02/p0。
稳态工作时，vb大于vi,p，当vi变化时，vb值也在变，vbmax受电解电容耐压的限制，一般选vb=(1.1～1.2)vi,p由lrcrrl支路可知，ir高频正弦电流的幅值为ir=·
由约束条件式（2）可知ir的幅值表达式为ir=(－)
因此有·=(－)(6)
因为z0ω0=1/cin，把cin的计算式（3）代入式（6）。同时考虑到前面的约定，ω0≈(2/3)ωs，取vb=1.2vi,p，rl=v02/p0，η取为85％，并令a=ωst0，则式（6）可简化为cr=（7）
在额定的输入电压和工作频率下，对于某一负载p0，其v0也是一定的，所以式（7）表示cr随a的变化特性，表1给出a变化时cr的取值情况，此表是在fs=42khz，vi=220v（即vi,p=310v），p0=40w(v0=106v)时得出的。
表1cr随a变化时的取值情况α/°6768707274767880
cr/nf3.45.79.312.4162024.931.5
根据电路工作原理，cr值不宜选太大，否则cr中高频电流较大，造成ir电流加大，必然使功率管电流加大，损耗也就加大。cr选定后，根据式（5）中ωp=可计算出lr值。
由以上方法计算出的参数还需要在实践中作出进一步调整，以使输入端功率因数和灯电流波峰系数都得到比较满意的结果。
4控制电路原理简介
为了达到减小灯电流波峰系数和输出恒功率的目的，在控制电路中采用了灯电流反馈及调频的控制方法，原理图如图4所示。
4?1控制与调节过程
电流互感器ct检测出灯电流信号，通过d1、c1、r2对取样信号进行包络检波，去除高频成分后，再送到积分误差放大器a1的反相端与基准信号vref比较。若由于某种原因，使灯电流加大，误差放大器a1的反相端信号加大，a1输出端输出电平减低，经反向放大后，输出电平加大，使压控振荡器vco输出频率提高，lr感抗增加，灯电流下降。通过此调节过程，保持了灯电流的平稳，使灯电流的波峰系数下降，同时也实现了恒功率输出的目的。
4?2起动过程
起动电路由d2、d3、c3、r5构成，开机时，由于灯电流为零，经取样后a1反向端为低电平，a2输出端也为低电平。开机瞬间，c3两端电压为零，d2截止，d3导通，vco输入为高电平，vco输出频率较
图5仿真波形
(a)输入端电流与电压波形
电压：80v/div电流：0.1a/div横轴：5ms/div
(b)灯电流波形纵轴：0.2a/div横轴：5ms/div
(c)功率管漏极电流波形纵轴：0.2a/div横轴：10μs/div
图6实验波形
高，使lrcr支路失谐，随着c3被vcc充电，vco输入电压从vcc值逐渐下降，vco输入频率也随着下降。由于lrcr支路处于失谐状态，灯管两端电压达不到开启电平使灯点亮，而是给灯丝预热，当vco输出频率下降到使灯被点燃时，灯电流加大，取样信号也加大，经积分误差反相放大后，使d2导通，d3截止，起动过程结束。
4?3调光
由于采用了电流闭环控制系统，积分误差放大器的基准实际上是电流基准，它决定了稳态灯电流的大小，当调节这个基准信号时，会改变灯功率，实现调光。
本控制电路的辅助电源是用lx电感的高频能量一部分经整流稳压后提供的。
5仿真和实验结果
已知灯参数，p0=40w，v0=106v[2]，开关频率设定为42khz，取η=85％，vi=220v，根据以上设计方法计算出下列参数：cin=12nf，lx=2.8mh，选cr=10nf，计算得lr=1.7mh
主电路仿真波形如图5所示。图中v(10)－v(6)为vcin波形，i(dy)为流过二极管dy的电流波形，i(rel)为功率管漏极电流波形，i(lx)为电网入端电流波形，运用pspice中的付里叶分析，输入端电流总谐波失真为8.51％。
实验波形如图6所示。图中输入端电流与输入端电压同相且非常接近正弦，达到了高功率因数的目的。而灯电流波形包络比较平坦，达到了较低波峰系数。由于功率开关s1、s2具有软开关开通特性，并且功率管峰值电流小，所以电路效率较高，实验中功率器件无需散热器且温升很低。
6结语
通过分析、仿真与实验证实此电路具有高功率因数、恒功率、低波峰系数、高效率的优点，并且成本低。该电路可工作于较大功率，如双灯电路，但是，在调试中也发现，该电路参数相互影响较大，参数调节比较复杂。
参考文献
[1]jinrongqian,f.clee.chargepumppower?factor?correction
technologiespartⅱ[j].ieeetrans.onpowerelectronics,2000,15(1):129－139.
[2]毛兴武,祝大卫.电子镇流器原理与制作[m].北京：人
民邮电出版社,1999.
巧妙辨识网线的真假
vivo X23超大广角拍摄，91.2%屏占比水滴屏
索尼宣布成立移动出行公司 OMNIVISION推出200MP分辨率图像传感器
三极管的三种放大电路解析，放大电路的三种组态比较
面板大厂友达积极布局，于琪下半年再推出MiniLED电竞笔电
新型充电泵高功率因数电子镇流器
显示器抖动故障处理方法大全
南航已获得了民航中南地区管理局组织颁发的多证合一维修许可证
一文详解UE能力级别
实现ET200SP模块热插拔的具体方法
富士通QCD优化解决方案实现数据驱动的发展战略与制造管理一体化
三星新一代旗舰手机Galaxy S21系列发布
单通道栅极驱动芯片IVCO1A0x为车载功率变换系统提供高可靠性支持
数据驱动，要在边缘部署机器学习而不是在云端！
主流代工厂芯片制造工艺主要晶圆厂的最新工艺进展
麦克斯韦的方程式
霍尔接近开关工作原理
万花筒制作电路
探索虚拟现实和增强现实世界
小米40亿高估值融资细节 软硬通吃获资本青睐
摘要：介绍一种新型充电泵高功率因数电子镇流器的工作原理、电路设计方法及控制方法，实验结果表明该电子镇流器具有恒功率输出、高功率因数及低波峰系数的优良特性。
关键词：电子镇流器；谐振；频率控制；功率因数校正
1引言
电子镇流器与电感式镇流器相比具有工作电压范围宽、重量轻、无噪音、功率因数高、功耗低及发光效率高等优点，因而受到广泛的欢迎。但目前国内使用的电子镇流器在性能方面还有待进一步提高。比如，如何进一步提高功率因数，降低输入端电流的总谐波含量，在宽工作电压范围内如何保持恒定的灯功率，如何降低灯电流波峰系数，延长灯管使用寿命。本文介绍的这种新型电子镇流器在这些方面取得了新的进展，并具有电路结构简单、成本低的优点，达到较高的技术水平。
2充电泵电子镇流器主电路工作原理
这种新型充电泵高功率因数电子镇流器主电路如图1所示。图中vi为工频交流输入电压,lf、cf为高频滤波元件。稳态工作时，由于充电泵的作用，cb两端直流电压高于全波整流电压的峰值。又由于lx的作用，使流过lx的电流在每一开关周期中都是连续的。正常工作时，日光灯可用一电阻rl表示。lrcr构成灯谐振支路，cd相对于cr、cin容量较大起隔直作用。s1、s2均为双向开关。由于开关频率远远高于工频电源频率，可以认为在一个开关周期内|vi|为一恒定值。并且cd可以认为短路。考虑到在一个开关周期内cb中电压波动较小，分析时可用一恒压源vb代替。一个开关周期可分为四个工作阶段，主要工作波形如图2所示，各阶段等效电路如图3所示，各电流正方向如图3所示，流过dy的电流为iy,m点的电位为vm。
阶段1[t0～t1][图3（a）]在t0以前，s1关断，s2导通，dy导通，vcin=0，cin无储能，ix>ir,随着ir的上升，iy减小。在t0时刻，iy=0,dy自然关断，ix=ir。在t0以后，ir按正弦规律上升，ir>ix,ir与ix的差值电流对cin充电，vcin上升。随vcin上升，vm下降，lx两端电压增加，导致ix上升。在t1时刻ix=ir，vcin达最大，此时关断s2，进入下一工作阶段。
阶段2[t1～t2][图3（b）]在t1时刻s2被关断，
图1新型电子镇流器主电路
新型充电泵高功率因数电子镇流器
图2主要工作波形
ir流经s1体二极管。在t1后，ix>ir，ix与ir的差值电流使电容cin放电，vcin下降，ir从正向下降到零。在ir流经s1体二极管期间开通s1管，则s1具有零电压和零电流开通特性。随着vcin下降，vm上升，lx两端电压下降，ix上升缓慢，ir经零点反向后，流经s1管，当cin放电完毕，二极管dy导通，ix与ir都流过dy，vm=vb，进入下一工作阶段。
阶段3[t2～t3][图3(c)]在t2时刻，二极管dy导通，vm=vb，lx两端电压小于零，所以ix减小，ir为反向振荡波形，在t3时关断s1。
阶段4[t3～t4][图3(d)]在t3时刻关断s1，ir负电流经s2体二极管。随着ir负向衰减到零，ir正向通过s2。当ir增大到与ix相等时，流经dy电流为零，dy自然关断。若在s2体二极管导通时开通s2管，则s2具有零电压零电流开通特性。这一阶段工作结束后，又回到阶段1。
稳态工作时，ix在一个开关周期内的平均值为ixav，在对每一工作阶段列出状态方程并求解之后[1]，可计算出ixavixav=(ixdt)/ts
=2|vi|/(z0ω0ts)＋〔2irω0cos(ωst0)/(ωs＋ω0)－
2vb/(z0ω0ts)＋p0/vi,p〕(1)式中：ω0=1/；z0=；
ts=1/fs为开关周期；
ωs=2πfs；
p0为输出功率；
vi,p为交流输入电压的峰值；
ir为ir幅值。
当满足下列条件时ir=(－)(2)
输入电流与输入电压同相，且为正弦型，即
ixav=2|vi|/(z0ω0ts)
3主电路参数设计
设灯功率p0，灯电压有效值v0，灯电阻rl，额定
(b)t1～t2
(c)t2～t3
(d)t3～t4
图3各工作阶段等效电路
(a)t0～t1
图4控制原理图
工作频率fs，预设定工作效率η，额定输入电压vi。
3?1lx和cin的设计
在满足式（2）条件时，瞬时输入功率
pi(t)=viixav=2|vi(t)|2/(z0ω0ts)
在一个工频周期内的平均输入功率为
pi=fsvi,p2/(ω0z0)
因为p0=ηpi=ηfsvi,p2/(ω0z0)
则cin=p0/(ηfsvi,p2)（3）
如果ω0≈（2/3）ωs时，能较好实现功率因数校正[1]
则lx=9ηvi,p2/(16π2fsp0)（4）
3?2lr和cr的设计
在一个开关周期内，lr、cr、rl支路的激励电压近似为方波，为简化计算只考虑基波成份，则灯负载rl两端电压有效值为
v0=（5）式中：ωp=；
rl=v02/p0。
稳态工作时，vb大于vi,p，当vi变化时，vb值也在变，vbmax受电解电容耐压的限制，一般选vb=(1.1～1.2)vi,p由lrcrrl支路可知，ir高频正弦电流的幅值为ir=·
由约束条件式（2）可知ir的幅值表达式为ir=(－)
因此有·=(－)(6)
因为z0ω0=1/cin，把cin的计算式（3）代入式（6）。同时考虑到前面的约定，ω0≈(2/3)ωs，取vb=1.2vi,p，rl=v02/p0，η取为85％，并令a=ωst0，则式（6）可简化为cr=（7）
在额定的输入电压和工作频率下，对于某一负载p0，其v0也是一定的，所以式（7）表示cr随a的变化特性，表1给出a变化时cr的取值情况，此表是在fs=42khz，vi=220v（即vi,p=310v），p0=40w(v0=106v)时得出的。
表1cr随a变化时的取值情况α/°6768707274767880
cr/nf3.45.79.312.4162024.931.5
根据电路工作原理，cr值不宜选太大，否则cr中高频电流较大，造成ir电流加大，必然使功率管电流加大，损耗也就加大。cr选定后，根据式（5）中ωp=可计算出lr值。
由以上方法计算出的参数还需要在实践中作出进一步调整，以使输入端功率因数和灯电流波峰系数都得到比较满意的结果。
4控制电路原理简介
为了达到减小灯电流波峰系数和输出恒功率的目的，在控制电路中采用了灯电流反馈及调频的控制方法，原理图如图4所示。
4?1控制与调节过程
电流互感器ct检测出灯电流信号，通过d1、c1、r2对取样信号进行包络检波，去除高频成分后，再送到积分误差放大器a1的反相端与基准信号vref比较。若由于某种原因，使灯电流加大，误差放大器a1的反相端信号加大，a1输出端输出电平减低，经反向放大后，输出电平加大，使压控振荡器vco输出频率提高，lr感抗增加，灯电流下降。通过此调节过程，保持了灯电流的平稳，使灯电流的波峰系数下降，同时也实现了恒功率输出的目的。
4?2起动过程
起动电路由d2、d3、c3、r5构成，开机时，由于灯电流为零，经取样后a1反向端为低电平，a2输出端也为低电平。开机瞬间，c3两端电压为零，d2截止，d3导通，vco输入为高电平，vco输出频率较
图5仿真波形
(a)输入端电流与电压波形
电压：80v/div电流：0.1a/div横轴：5ms/div
(b)灯电流波形纵轴：0.2a/div横轴：5ms/div
(c)功率管漏极电流波形纵轴：0.2a/div横轴：10μs/div
图6实验波形
高，使lrcr支路失谐，随着c3被vcc充电，vco输入电压从vcc值逐渐下降，vco输入频率也随着下降。由于lrcr支路处于失谐状态，灯管两端电压达不到开启电平使灯点亮，而是给灯丝预热，当vco输出频率下降到使灯被点燃时，灯电流加大，取样信号也加大，经积分误差反相放大后，使d2导通，d3截止，起动过程结束。
4?3调光
由于采用了电流闭环控制系统，积分误差放大器的基准实际上是电流基准，它决定了稳态灯电流的大小，当调节这个基准信号时，会改变灯功率，实现调光。
本控制电路的辅助电源是用lx电感的高频能量一部分经整流稳压后提供的。
5仿真和实验结果
已知灯参数，p0=40w，v0=106v[2]，开关频率设定为42khz，取η=85％，vi=220v，根据以上设计方法计算出下列参数：cin=12nf，lx=2.8mh，选cr=10nf，计算得lr=1.7mh
主电路仿真波形如图5所示。图中v(10)－v(6)为vcin波形，i(dy)为流过二极管dy的电流波形，i(rel)为功率管漏极电流波形，i(lx)为电网入端电流波形，运用pspice中的付里叶分析，输入端电流总谐波失真为8.51％。
实验波形如图6所示。图中输入端电流与输入端电压同相且非常接近正弦，达到了高功率因数的目的。而灯电流波形包络比较平坦，达到了较低波峰系数。由于功率开关s1、s2具有软开关开通特性，并且功率管峰值电流小，所以电路效率较高，实验中功率器件无需散热器且温升很低。
6结语
通过分析、仿真与实验证实此电路具有高功率因数、恒功率、低波峰系数、高效率的优点，并且成本低。该电路可工作于较大功率，如双灯电路，但是，在调试中也发现，该电路参数相互影响较大，参数调节比较复杂。
参考文献
[1]jinrongqian,f.clee.chargepumppower?factor?correction
technologiespartⅱ[j].ieeetrans.onpowerelectronics,2000,15(1):129－139.
[2]毛兴武,祝大卫.电子镇流器原理与制作[m].北京：人
民邮电出版社,1999.
巧妙辨识网线的真假
vivo X23超大广角拍摄，91.2%屏占比水滴屏
索尼宣布成立移动出行公司 OMNIVISION推出200MP分辨率图像传感器
三极管的三种放大电路解析，放大电路的三种组态比较
面板大厂友达积极布局，于琪下半年再推出MiniLED电竞笔电
新型充电泵高功率因数电子镇流器
显示器抖动故障处理方法大全
南航已获得了民航中南地区管理局组织颁发的多证合一维修许可证
一文详解UE能力级别
实现ET200SP模块热插拔的具体方法
富士通QCD优化解决方案实现数据驱动的发展战略与制造管理一体化
三星新一代旗舰手机Galaxy S21系列发布
单通道栅极驱动芯片IVCO1A0x为车载功率变换系统提供高可靠性支持
数据驱动，要在边缘部署机器学习而不是在云端！
主流代工厂芯片制造工艺主要晶圆厂的最新工艺进展
麦克斯韦的方程式
霍尔接近开关工作原理
万花筒制作电路
探索虚拟现实和增强现实世界
小米40亿高估值融资细节 软硬通吃获资本青睐