ＨＩＤ灯电子镇流器中ＡＰＦＣ电路的设计

张　丽

摘要：电子镇流器是一种电源变换装置，由于HID灯负载对电子镇流器的特殊要求而增加了其设计的复杂性。本文讨论了HID灯电子镇流器中APFC电路的设计及实验结果。

关键词：HID灯；电子镇流器；APFC电路

高气压放电光源由于气体放电电流密度大、发光亮度高，习惯上被称为高强度气体放电（High Intensity Discharge）灯，简称HID灯，广泛应用于广场、码头、车间、道路等室外照明环境中，在当今照明系统中占有重要的地位。但HID灯电子镇流器仍处于研制阶段，未能得到广泛应用。因此，在低压放电灯电子镇流器的基础上研制适用于HID灯的高性能电子镇流器对HID灯的推广具有重大的现实意义[1]，可以达到进一步节能和提高照明效果的目的。

由于HID灯自身的负阻特性，决定了其必须和限流元件——镇流器相串联才能稳定工作[2]。为了减小在限流元件中的能量损耗，HID灯一般采用不消耗有功功率的电抗性元件——电感做镇流器。本文讨论了HID灯电子镇流器中APFC电路的设计及实验结果。

1APFC电路的原理

APFC电路置于桥式整流电路与滤波电解电容之间，实际上是一种DC-DC变换器。APFC电路主要有升压（Boost）、降压、升压——降压和回扫四种类型。由于Boost型APFC电路在一定的输出功率下可以减小输出电流，从而可以减小输出滤波电容的容值和体积，故在电子镇流器中被广泛采用[3]。

Boost型APFC电路的基本原理如图1所示，主要由APFC控制芯片、功率开关管VT1、升压电感器L1、升压二极管VD5、输出滤波电容C1及反馈环路所组成，其核心是APFC控制芯片。APFC电路的工作原理是基于升压电感L1的电流与电压之间的物理关系。

当开关管VT1导通时，升压二极管VD5截止，滤波电容C1通过负载放电。当VT1由导通跃变为关断时，L1产生的突变电势使VD5正向偏置而导通，L1中的储能经VD5释放，对C1充电。由于VT1和VD5交替导通，使整流电路输出电流经L1连续流动。这就意味着整流二极管在交流电源电压的半个周期内，导通角趋于180°。APFC电路一般都采用双环反馈控制方法。内环反馈的作用是将全波整流输出直流脉动电压（实质上就是交流输入电压）通过R1、R2组成的电阻分压器采样输入到APFC控制芯片，以保证L1的电流时刻跟踪输入电压按正弦规律变化。通过L1的三角形高频电流的峰值包迹波正比于输入交流电压，所以L1的平均电流呈正弦波形，这就意味着电源输入电流也呈正弦波形。外环反馈用作APFC电路输出直流电压的反馈控制。直流输出电压被检测后输入到APFC控制芯片，芯片输出PWM驱动信号调节功率开关的占空比，以使输出电压稳定。

图2示意了在VT1的一个开关周期中电感电流 的波形，它是一个线性上升、线性下降的三角波。在输入交流电压半周期内，输入电流将是一串峰值随输入电压变化的三角波。图3为APFC电路工作电压和电流的波形图，三角波电流的平均值是其峰值电流的一半，因此，它的波形是随输入电压按正弦变化而变化的。由于电路的输入平均电流波形与输入电压波形形状是相似的，又没有相移，电路的功率因数可以达到很高，而谐波失真很小。在采用有效的EMI滤波电路后，电路中高频开关信号的泄露很低，故其电流总谐波失真THD一般不会超过10%。

2电路设计

利用芯片L6561作为控制器的Boost型APFC电路如图4所示。

APFC电路的工作频率随输入交流电压和负载的变化而变化。功率开关管VT1的关断时间取决于APFC直流输出电压与输入电压之间的差值。为保证工作频率不降至可听见的音频范围之内并保证电路稳定工作，一般要求APFC电路输出电压至少比输入电压峰值高15%以上。对于220V的交流输入电压，APFC电路的直流输出电压一般为400V。

图4中输入交流电经桥整流后变为310V的直流电，作为Boost型APFC电路的输入。电容C3用作高频滤波，降低输入电流的谐波含量。电阻R1和R2构成电阻分压网络，用以确定输入电压的波形和相位，电容C4与电阻R1构成一个RC滤波器，用以除去引脚3的高频干扰信号。变压器T1的主边用作升压电感，副边用来检测电感电流的过零信号，传递到芯片的引脚5。电阻R4和二极管VD2起到让 MOS管VT1慢导通快截止的功能。电阻R6作为电感电流检测电阻，用以采样电感电流的上升沿（MOS管电流）。电阻R7和R8构成电阻分压网络，形成输出电压的负反馈回路。电容C5连接于芯片引脚1和引脚2之间，形成电压环的补偿网络。

3实验结果

图5给出了交流过零信号（L6561引脚5）与开关管栅极驱动信号（L6561引脚7）的实测波形图，下图为交流过零信号，上图为开关管栅极驱动信号。从图中可以看出当过零信号为零时，开关管导通。图6给出APFC电路的输出电压（400V）实测波形，从图中可以看出，虽然波形存在一定的纹波，但输出电压稳定，达到了设计要求。

随着数字技术和数字控制芯片的不断完善和发展，数字化控制在电子镇流器中的应用正越来越显示其优越性。得益于数字控制电路的强大功能，我们能够在不增加其它电路的基础上增加多项控制功能，使得采用一块数字控制芯片通过编程就能够完成调光、开路保护、短路保护、启动时序控制、恒功率控制、声谐振抑制、寿命检测、点火信号控制等一系列功能，因此电路结构更为简单，集成度更高，可靠性也可以相应地得到提高。

参考文献

[1]倪海东,庚鸿.绿色照明控制技术综述.绿色照明,2005,6(9):25～37.

[2]张卫平.绿色电源——现代电能变换技术及应用（第一版）.北京:科学出版社,2001:2～10.

[3]毛兴武,祝大卫.电子镇流器原理与制作（第一版）.北京:人民邮电出版社,1999:50～74,118～169,384～395.