电荷泵式电子镇流器基本电路的分析

摘要：电荷泵式电子镇流器，采用充电电容和高频交流源，以实现功率因数校正（PFC），这已成为荧光灯镇流器中极有吸引力的电路拓扑。但这种电路还存在一些问题，如输入电流的THD值高，灯电流的波峰比（CF）高。对这些问题产生的根源进行了分析，并提出解决方法。附加两只小型箝位二极管后，在开环控制状态，就可使输入电流波形得到很好的改善，从而使PF>0.99，THD5％，而灯电流的CF1.6。并给出了实验结果。

关键词：电子镇流器；功率因数校正；电路

Analysis and Improvement for Charge Pump Electronic Ballast

GAO Ji-sun

Abstract:The charge pump electronic ballast circuit which employs a charging capacitor and a high frequency AC source to implement the power factor correction(PFC)has become an attractive topology for the ballast of the fluorescent lamp. But, this circuit has some problems, such as higher total harmonic distortion(THD)of the input current and higher crest factor(CF)of the lamp current. The origin of the problems is analyzed and asolution is proposed. With the addition of two small clamping diodes, very good input current(PF>0.99,THD5％)and lamp current(CF1.6)can be obtained with the open loop control. The experimental results are provided for verification.

Keywords:Electronic ballast;Power factor correction;Circuit

1 引言

普通电子镇流器拓扑，由带无源LC滤波器的桥式整流电路和高频逆变器组成，它已不能满足电网的严格要求，如线路输入端的功率因数要高，电网电流的THD要低等。断续升压式PWM变换器及其拓扑，可采用简单的控制电路，达到较高的功率因数，不过，它需要附加一只笨重的升压电感器，此外，开关功率管上的电压/电流应力一般也比较大。综合考虑，该电子镇流器的性能/价格比就不会太高。近年来，采用充电电容和高频交流源来进行功率因数校正（PFC）的电子镇流器成为极具吸引力的电路拓扑。因为，充电电容器按类似“电荷泵”的方式来调整输入电流的波形，这类电路，也叫做“电荷泵”功率调节器。因为在电路中，取消了升压电感器，输入端的LC滤波器的体积就大大减小了，镇流器的成本还可能降低。但是，其输入电流的THD>15％，灯电流的CF>2.4。本文在对该“电荷泵”电路的工作原理和存在问题进行分析后，采用二极管箝位技术克服了这些存在的问题，使在开环控制下，就能得到良好的输入电流和灯电流波形。为了验证理论分析结论，还提供了实验结果。

2 工作原理和存在问题

图1为典型的“电荷泵”式电子镇流器电路图，图中Lr与Cr是谐振元件，Cb1是隔直电容。该电路和普通镇流器电路的区别是：普通镇流器是在整流桥后紧接高频逆变器，而本电路是增加了一只电容Cin和二极管Dc，这两个元件在调整输入电流波形方面起到了关键作用。图1电路可分为两部分：PFC及DC/AC逆变。图2为其PFC部分的等效电路和理想波形。为了简化分析，把Cr两端的电压看作独立的高频电压源（Ua）。通过设计，使直流母线电压Udc高于输入的电网电压Ug，二极管Dc不会导通。从而，输入电流就等于Cin的的正向充电电流，电流的方向如图2（a）所示 。 这 是 通 过 调 节ug和udc来 实 现 的 。 如 果Cin上 电 荷 的 变 化 〔 它 正 比 于Cin两 端 电 压 的 变 化 ， 即ucmax－ucmin。 参 看 图 2（ b） 〕 紧 跟 着 输 入 电 压ug变 化 ， 则 可 使 功 率 因 数 达 到 1。 具 体 分 析 如 下 ：

(a) 阶段1 (b)阶段2 (c) 阶段3 (d) 阶段4

图1 典型电荷泵电子镇流器电路

图2 PFC原理

(a) 等效电路 (b) 理想的波形

2.1 PFC原理分析

在一个开关周期内电荷泵电路的稳态工作，可分为四个拓扑阶段，如图3所示。理论波形如图4所示。

图3 PFC电 路 的 四 个 拓 扑 阶 段

图4 PFC电 路 的 理 论 波 形

1）阶段1[0～α]

在这个阶段，因为节点B处的电压ub低于Udc，而高于ug，ugP 。 束 结 段 阶 此 ug， 等 ub变 时 t=α ω 当 拉 下 向 ub也 把 降 续 ua继 而 化 变 uc不 的 上 端 Cin两 过 通 流 有 没 Cin中 容 以 所 断 关 DB均 桥 整 Dc和 管 极 二 则> ubudc，则二极管Dc和整流桥DB均关断。所以，输入电容Cin中没有电流通过，Cin两端上的电压uc不变化。而ua继续下降，把ub也向下拉。当ω t=α时，ub变得等于ug，此阶段结束。

2）阶段2[α～&