電子鎮(zhèn)流器中功率因數(shù)校正電路的分析及應(yīng)用

IR2166/IR2167是集功率因數(shù)校正器(PFC)、鎮(zhèn)流器和半橋驅(qū)動(dòng)器為一體的新型電子鎮(zhèn)流器驅(qū)動(dòng)電路。內(nèi)部的功率因數(shù)校正(PFC)電路以臨界導(dǎo)通模式(CCM)工作，可獲得高功率因數(shù)、低總諧波失真（THD)及直流電壓調(diào)整。給出典型PFC控制電路的原理并進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：鎮(zhèn)流器；IR2166；IR2167；功率因數(shù)校正

1 引言
??? 傳統(tǒng)的磁性鎮(zhèn)流器使用工作于60Hz的鐵芯電磁元件．工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生閃爍和可聞噪聲。磁性鎮(zhèn)流器內(nèi)部無功率因數(shù)校正(IWC)電路，而將PFC電路加入其內(nèi)部也很困難，其輸入電流電壓相位不一致。含有大量的諧波分量，滿足不了鎮(zhèn)流器諧波低于照明系統(tǒng)諧波電流的IEC 61000—3—2C級(jí)國際標(biāo)準(zhǔn)。并且，由鎮(zhèn)流器產(chǎn)生的任何諧波也會(huì)對(duì)其他連接在同一電源上的電子系統(tǒng)造成影響。

??? 電子鎮(zhèn)流器的出現(xiàn)向磁性鎮(zhèn)流器提出了挑戰(zhàn)。它能彌補(bǔ)傳統(tǒng)磁性鎮(zhèn)流器的不足，工作時(shí)不僅無閃爍和可聞噪聲，而且可以輕易地加入功率因數(shù)校正，具有良好的高功率因數(shù)(PF)和低總諧波失真(THD)特性。傳統(tǒng)電子鎮(zhèn)流器控制器由分離的控制IC、柵極驅(qū)動(dòng)IC和PFC IC構(gòu)成。IR2166／IR2167是國際整流器公司推出的電子鎮(zhèn)流器控制器．是新一代電子鎮(zhèn)流器控制集成電路的代表。這二款器件采用單芯片方案．除降低系統(tǒng)成本，減少元件數(shù)量外，也簡化了安裝，提高了可靠性，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間，在電子鎮(zhèn)流器控制電路中得到了廣泛應(yīng)用。

2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳功能
??? IR2166dR2167采用DIP和SOIC 2種封裝，IR2166為20引腳，IR2166為16引腳。它們具有相同的PFC控制，不同的鎮(zhèn)流器控制。此外，IR2167還具有欠電流保護(hù)、低于諧波點(diǎn)保護(hù)和熱過載保護(hù)等特性。IR2166的引腳排列如圖l所示。

其引腳功能如表1所列。

3 PFC功能
3．1 PFC控制方式
??? 功率因數(shù)校正(PFC)是IR2166／IR2167的主要功能。二者具有相同的PFC控制，內(nèi)部都含有1個(gè)有源功率因數(shù)校正電路。

??? IR2166／IR2167可以針對(duì)交流輸入電壓產(chǎn)生交流輸入電流。實(shí)現(xiàn)的控制方法基于工作于臨界導(dǎo)通模式(CCM)的升壓型變換器。如圖2所示。

??? 即在PFCMOSFET的每個(gè)開關(guān)周期，電路一直等待到電感器電流放電到零時(shí)才再次開通PFC MOSFET。PFCMOSFET的開關(guān)頻率(>10kHz)遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率(50Hz一60Hz)。

??? 開關(guān)管MPFC開通時(shí)，電感器LPFC接到整流輸出的正端(+)和負(fù)端(一)，LPFC電流線性增加。當(dāng)MPFC關(guān)斷時(shí)，LPFC連接于整流輸出的正端和直流母線電容器Cm；(通過二極管DOFC，LPFC中電流流向CBUS。由于MPFC以高頻工作，CBUS電壓被充到特定的電壓。反饋回路通過連續(xù)檢測(cè)直流母線電壓和相應(yīng)地調(diào)節(jié)MPFC的開通時(shí)間將電壓調(diào)整到固定值。若直流電壓上升．則開通時(shí)間減?。糁绷麟妷合陆?，則開通時(shí)間增加。由于這個(gè)負(fù)反饋控制是低速和低增益的，因此電感器平均電流平滑地跟隨低頻電網(wǎng)電壓，從而實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)和低THD。在多個(gè)電網(wǎng)電壓周期內(nèi)，MPFC的開通時(shí)間是固定的。因?yàn)殚_通時(shí)間固定，關(guān)斷時(shí)間由電感器的電流釋放到零決定，結(jié)果是系統(tǒng)的頻率可自由改變．并連續(xù)地從交流電壓過零附近的高頻過渡到交流電壓達(dá)到峰值時(shí)的較低頻率。

??? 交流電壓較低(過零附近)時(shí)，電感器電流升到較小的值．放電較快，因此開關(guān)頻率高。交流電壓較高(峰值附近)時(shí)，電感器電流升到較高的值，放電時(shí)間較長，頻率較低。三角形PFC電感器電流被E-MI濾波器平滑而產(chǎn)生正弦交流電流。

3．2 PFC控制電路
??? IC內(nèi)部PFC控制簡化電路如圖3所示。以內(nèi)部4V電壓為參考．調(diào)節(jié)VBUS實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的調(diào)整。反饋回路是傳導(dǎo)可調(diào)(OTA)放大器，其灌或拉電流流向外部COMP腳的電容器。COMP腳的電壓為內(nèi)部電容器Cl充電的閾值，決定MPFC的開通時(shí)間。在鎮(zhèn)流器預(yù)熱和觸發(fā)期間，OTA的增益設(shè)定較高，給直流母線電容器快速充電，減小可能發(fā)生在觸發(fā)期間的直流母線電容器的瞬態(tài)沖擊。在運(yùn)行期間，增益調(diào)整到較低的水平，獲得高功率因數(shù)和低THD。

??? MPFC關(guān)斷時(shí)間決定于LPFC放電到零的時(shí)間。由連接到ZX腳的L。二次側(cè)繞組檢測(cè)零電流。關(guān)斷時(shí)間始于超過電路內(nèi)部2V閾值的上升沿。當(dāng)LPFC電感器電流放電到零時(shí)，關(guān)斷時(shí)間止于低于電路內(nèi)部1．7V閾值的下降沿，MPFC隨之再次開通，PFC時(shí)序如圖4。此過程不定周期地重復(fù)，直到鎮(zhèn)流器出現(xiàn)故障而關(guān)閉PFC功能(故障模式)。如果直流母線電壓過壓或欠壓，或ZX腳沒有檢測(cè)到下降負(fù)沿，Mnc將保持關(guān)斷，直到內(nèi)部定時(shí)器強(qiáng)迫MPFC開通，而開通時(shí)間由COMP腳的電壓決定。定時(shí)器脈沖每400ms不定期發(fā)生，直到ZX腳出現(xiàn)正確的上升和下降沿信號(hào)，PFC正常工作為止。

3．3 PFC電路分析
(1)計(jì)算PFC的電感值

???
其中：VBUS是直流母線電壓：
????? VAC是最小交流輸入電壓有效值：
????? η 是PFC效率(典型值為0．95)：
????? fMIN是最小交流輸入電壓時(shí)的最小PFC開關(guān)頻率：
POUT是鎮(zhèn)流器輸出功率。

(2)計(jì)算PFC電感器的峰值電流

???

(3)計(jì)算最大開通時(shí)間

4 典型應(yīng)用電路
??? 圖5示出IR2166驅(qū)動(dòng)電子鎮(zhèn)流器的典型應(yīng)用電路，其輸入為全橋整流器整流后的電壓．輸入電壓范圍為lOOV~250V，輸入功率因數(shù)大于99％．THD小于15％。電流諧波滿足GBl7625．1-1998 C標(biāo)準(zhǔn)(照明設(shè)備)要求。

5 結(jié)束語
??? 加入PFC增益作為鎮(zhèn)流器模式的功能體現(xiàn)了集成的好處，它的性能比現(xiàn)有PFC方法更好。沒有PFC時(shí)，THD高于100％，功率因數(shù)低至0．50．在電子鎮(zhèn)流器中加入PFC電路不僅提高了電路的功率因數(shù)，而且節(jié)約了能源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國照明用電占全國總用電量的10%，即使其中半數(shù)采用這種鎮(zhèn)流器，年節(jié)約電也可達(dá)162億度，將PFC加入電子鎮(zhèn)流器也是能源發(fā)展的必要。