浅析高功率因数电子镇流器设计与实现

杭州金宇电子有限公司 包国雄

伴随国内外“绿色照明工程”的启动，电子镇流节能照明得到广泛发展。电子镇流器因其节能节电、高效的优良特性，能有效地缓解能源紧张趋势和控制环境污染。然而，不同的电子镇流器因其某些性能（如功率因数、谐波干扰、启动特性等）的不同，导致其优势显著性差异较大，其中功率因数就是影响电子镇流器特性优势的重要性能参数。本文将阐述电子镇流器的基本工作原理、主要性能指标及元件选用，并主要从功率因数的概念、性能影响、改善提高等方面进行论述。

一、电子镇流节能荧光灯的基本工作原理

图1所示电路采用了电容延迟阴极预热启动式串联推挽自激振荡电路。当220V交流电加到输入端后，通过桥式整流、逐流滤波，产生约260V的直流电压，给VT1、VT2组成的开关振荡电路提供直流工作电源。电容器C3、C6、电阻R3等元件提供一个基极偏流，由于电解电容C6有充电饱和过程，VT2首先延时导通。直流电压通过C7、C、L、L3、VT2组成的串联谐振回路对电容器C充电，与此同时，L3绕组产生上正下负的电势，由于振荡线圈的L3、L2绕组相位相反，L3、L1绕组相位相同，相互反馈后L2将产生上负下正的电势，L1将产上正下负的电势，VT2饱和导通变为截止，VT1由截止变为饱和导通。VT1导通后，电容器C储存的电荷通过由灯丝、C7、VT1、L3、L组成的串联谐振回路加到VT1的集、射极放电。C在放电过程中，由于振荡变压器磁芯磁通饱和作用，使L3绕组电位变为上负下正，此时通过反馈线圈L3、L1、L2的作用，L1绕组转变为上负下正，L2绕组电位转变为上正下负，VT1截止，VT2导通，下一个振荡周期开始。VT1、VT2的轮流导通与截止，使电路产生振荡。

振荡电流在通过L、C、C7等串联元件时使串联谐振电路发生谐振，C两产生高频高电压，使荧光灯管启辉点燃。灯管启动时电压高低与C、L两个元件有较大的关系。谐振回路的Q值（品质因数）越高，启动电压也越高。从公式：Q可知，C的容量减小能提高谐振回路Q值，从而使荧光灯管易于启动，但Q值太高会影响荧光灯的寿命，因而C的容量也不能太小。灯管点燃后，由于其内阻降低，使串联谐振电路失谐，C将等效成一只高阻值的电阻与灯管并联，起到限幅稳压的作用，而L则起到镇流作用。串联谐振的频率可根据公式：本电路的振荡频率约为33.6KHZ。

二、电子镇流器主要性能指标

电子节能镇流器，在照明市场用量巨大，严格要求该产品的性能指标显得尤为重要。目前市场上出售的许多低价的电子节能照明产品，普遍不能达到国标要求，有的甚至与国标相差很远，如实际功率与标称值不符、光通量不够、功率因数低（仅有0.6左右）、谐波干扰大、寿命短等。电子镇流器主要性能指标额定电压、额定频率、额定功率、功率因数（越接近1.0越好）、启动特性及安全性等。

三、功率因数的概念、性能影响及其改善

我们知道，L、C元件是贮能元件，由于贮能元件参与作用，致使在交流电路中除了有能量消耗外，还存在电磁能量的往返传递，因而使电路的功率问题变得复杂。镇流器电路可以看成一个二端网络。在图2A中由于贮能元件的作用，其端口电压有效值（U）和电流有效值（I）将存在相位差φ。反映了二端网络的视在功率S、有功功率P及无功功率Q的相互关系，即：

在一定大小的电压、电流下，负载获得的有功功率大小取决于Cosφ，即有功功率和视在功率的比值，称Cosφ的值为二端网络的功率因数。二端网络有感性、容性和纯电阻性之分。纯电阻性二端网络的功率因数Cosφ=1，其有功功率与视在功率数值相等；感性（电流滞后）、容性（电流超前）二端网络的功率因数Cosφ<1。本文叙述的电子镇流器端口是呈容性的，即端口电流有效值I超前电压有效值U。

电子镇流器作为电气线路中的负载，其功率因数将影响供电线路上的电能损耗，影响供电效率和质量。在图2B所示供电线路模型中，ZA和ZB分别代表负载和线路阻抗，P1、P2分别代表电源提供的有功功率和负载吸收的有功功率，由公式：I=P2/(U2Cosφ)，在U2、P2一定的情况下，提高负载的功率因数Cosφ，将使I减小，从而使线路上电能损耗I2R减小。供电效率η=P2/P1=P2/(P2+I2R)，显然η将由于功率因数的提高而得到提高。

四、功率因数的提高改善

普通电感镇流荧光灯由于铜损、铁损严重，功率因数在0.5左右，电子镇流节能荧光灯在这方面明显优于电感式镇流荧光灯。但在一般的电子镇流器中由于桥式整流、大容量电解电容器滤波电路直接作用于交流电源，使交流输入电流不再呈现标准的正弦波形，而是畸变成尖峰脉冲波形，它不但使电路的电磁谐波含量增加，而且使电路的功率因数大大降低，一般只有0.6左右。常规电子镇流器的整流、滤波电路如图2C。为了提高节能荧光灯的功率因数，改善谐波特性，必须对逆变器前面的电源电路进行改进。

图2D所示是改进后的电路，D5、D6、D7、C1、C1组成无源逐流滤波电路，它代替了图C电路中的滤波电解电容器。逐流滤波电路的工作过程是：交流输入电压VAC在正半周以正弦规律上升变化时，在1/4周期内桥式整流二极管D1、D4导通，VAC给负载供电，整流输出电压VDC向C1、D6、C2充电，VDC随着VAC升高而增高，直至最大直流电压VDCM，此时VC1=VC2≈VDCM/2。D5、D7正极电位低于负极电位，因而反偏截止，这期间C1、C2由于没有放电回路，一直处于充电状态；在交流输入电压VAC的正半周过1/4周期后，即T/4≤t≤T/2，VAC从峰值VACM开始下降，整流输出电压VDC随着VAC下降而下降，当VDC下降到VDCM/2时，D5/D7正负极电位相等，此后，VDC下降，D5、D7正极电位开始高于负极电位，两个二极管开始导通。C1、C2储存的电荷通过逆变电路、D5、D6放电，逆变电路（即负载）得到一个续流电流，VDC逐渐降低。当VAC正半周过后，D1、D4开始反偏截止，重复VAC正半周时的工作过程。D5、D6、D7、C1和C2不停地进行上述循环工作，得到如图3(b)所示的的准正弦波。这种交流输入电流IAC波形连续不断，其波形包络线已接近正弦波，如图3(a)。经过功率因数校正电路后的直流输出电压如图3(c)所示。这个直流输出电压比常规的桥式整流电解电容滤波输出电压低一些，交流220V输入，直流约250V输出。为了发挥无源逐流滤波电路的最大效能，在交流输入端再加上由电感线圈L1、L2组成的平衡谐波滤波电路。该电路对滤除交流输入电流中的多次谐波有显著作用。电源电路经过上述改进后，电子镇流器的功率因数可高达0.96，三次电流谐波含量可降至20%，符合国家标准要求。

图1

图2

图3

元件选用方面，电路中的二极管选用小体积、高反压塑封整流二极管，以1N400系列整流二极管应用最多。平衡谐波滤波器采用铁氧体磁环。铁氧体是软磁性材料，具有高频损耗小，品质因数高等优点，适合于电子镇流器。我们在选用磁芯、磁环时，应选用锰锌（MX）铁氧体，而不能选镍锌（NX）铁氧体（否则将达不到我们所需要的电感量）

五、结束语

电子节能镇流器是由数种电子元器件构成，实际是大功率晶体管高频开关振荡电路。晶体管开关振荡电路的形式有单管振荡型、双管串联推挽振荡型、双管并联推挽振荡型以及双管互补推挽振荡型。目前普遍应用的电子节能镇流器电路大多为串联推挽振荡型，振荡频率为20-60KHZ。也有采用集成模块的电子镇流器，具有功率因数高、谐波干扰小、寿命长、体积小等特点，但从性价比看，这种电子镇流器及节能灯优势并不明显。电子镇流器及节能灯只有达到国家标准，才能真正实现节能、环保、经济，列入“绿色照明工程”的行列。

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