电子镇流器中功率因数校正电路的分析及应用

摘  要：IR2166／IR2167是集功率因数校正器(PFC)、镇流器和半桥驱动器为一体的新型电子镇流器驱动电路。内部的功率因数校正(PFC)电路以临界导通模式(CCM)工作，可获得高功率因数、低总谐波失真（THD)及直流电压调整。给出典型PFC控制电路的原理并进行了分析。
关键词：镇流器；IR2166；IR2167；功率因数校正

1 引言
    传统的磁性镇流器使用工作于60Hz的铁芯电磁元件．工作时会产生闪烁和可闻噪声。磁性镇流器内部无功率因数校正(IWC)电路，而将PFC电路加入其内部也很困难，其输入电流电压相位不一致。含有大量的谐波分量，满足不了镇流器谐波低于照明系统谐波电流的IEC 61000—3—2C级国际标准。并且，由镇流器产生的任何谐波也会对其他连接在同一电源上的电子系统造成影响。

    电子镇流器的出现向磁性镇流器提出了挑战。它能弥补传统磁性镇流器的不足，工作时不仅无闪烁和可闻噪声，而且可以轻易地加入功率因数校正，具有良好的高功率因数(PF)和低总谐波失真(THD)特性。传统电子镇流器控制器由分离的控制IC、栅极驱动IC和PFC IC构成。IR2166／IR2167是国际整流器公司推出的电子镇流器控制器．是新一代电子镇流器控制集成电路的代表。这二款器件采用单芯片方案．除降低系统成本，减少元件数量外，也简化了安装，提高了可靠性，节省了设计时间，在电子镇流器控制电路中得到了广泛应用。

2 内部结构及引脚功能
    IR2166dR2167采用DIP和SOIC 2种封装，IR2166为20引脚，IR2166为16引脚。它们具有相同的PFC控制，不同的镇流器控制。此外，IR2167还具有欠电流保护、低于谐波点保护和热过载保护等特性。IR2166的引脚排列如图l所示。

其引脚功能如表1所列。

3 PFC功能
3．1 PFC控制方式
    功率因数校正(PFC)是IR2166／IR2167的主要功能。二者具有相同的PFC控制，内部都含有1个有源功率因数校正电路。

    IR2166／IR2167可以针对交流输入电压产生交流输入电流。实现的控制方法基于工作于临界导通模式(CCM)的升压型变换器。如图2所示。

    即在PFCMOSFET的每个开关周期，电路一直等待到电感器电流放电到零时才再次开通PFC MOSFET。PFCMOSFET的开关频率(>10kHz)远大于电网频率(50Hz一60Hz)。

    开关管MPFC开通时，电感器LPFC接到整流输出的正端(+)和负端(一)，LPFC电流线性增加。当MPFC关断时，LPFC连接于整流输出的正端和直流母线电容器Cm；(通过二极管DOFC，LPFC中电流流向CBUS。由于MPFC以高频工作，CBUS电压被充到特定的电压。反馈回路通过连续检测直流母线电压和相应地调节MPFC的开通时间将电压调整到固定值。若直流电压上升．则开通时间减小．若直流电压下降，则开通时间增加。由于这个负反馈控制是低速和低增益的，因此电感器平均电流平滑地跟随低频电网电压，从而实现高功率因数和低THD。在多个电网电压周期内，MPFC的开通时间是固定的。因为开通时间固定，关断时间由电感器的电流释放到零决定，结果是系统的频率可自由改变．并连续地从交流电压过零附近的高频过渡到交流电压达到峰值时的较低频率。

    交流电压较低(过零附近)时，电感器电流升到较小的值．放电较快，因此开关频率高。交流电压较高(峰值附近)时，电感器电流升到较高的值，放电时间较长，频率较低。三角形PFC电感器电流被E-MI滤波器平滑而产生正弦交流电流。

3．2 PFC控制电路
    IC内部PFC控制简化电路如图3所示。以内部4V电压为参考．调节VBUS实现直流母线电压的调整。反馈回路是传导可调(OTA)放大器，其灌或拉电流流向外部COMP脚的电容器。COMP脚的电压为内部电容器Cl充电的阈值，决定MPFC的开通时间。在镇流器预热和触发期间，OTA的增益设定较高，给直流母线电容器快速充电，减小可能发生在触发期间的直流母线电容器的瞬态冲击。在运行期间，增益调整到较低的水平，获得高功率因数和低THD。

    MPFC关断时间决定于LPFC放电到零的时间。由连接到ZX脚的L。二次侧绕组检测零电流。关断时间始于超过电路内部2V阈值的上升沿。当LPFC电感器电流放电到零时，关断时间止于低于电路内部1．7V阈值的下降沿，MPFC随之再次开通，PFC时序如图4。此过程不定周期地重复，直到镇流器出现故障而关闭PFC功能(故障模式)。如果直流母线电压过压或欠压，或ZX脚没有检测到下降负沿，Mnc将保持关断，直到内部定时器强迫MPFC开通，而开通时间由COMP脚的电压决定。定时器脉冲每400ms不定期发生，直到ZX脚出现正确的上升和下降沿信号，PFC正常工作为止。

3．3 PFC电路分析
(1)计算PFC的电感值

   
其中：VBUS是直流母线电压：
      VAC是最小交流输入电压有效值：
      η 是PFC效率(典型值为0．95)：
      fMIN是最小交流输入电压时的最小PFC开关频率：
POUT是镇流器输出功率。

(2)计算PFC电感器的峰值电流

   

(3)计算最大开通时间

4 典型应用电路
    图5示出IR2166驱动电子镇流器的典型应用电路，其输入为全桥整流器整流后的电压．输入电压范围为lOOV~250V，输入功率因数大于99％．THD小于15％。电流谐波满足GBl7625．1-1998 C标准(照明设备)要求。

5 结束语
    加入PFC增益作为镇流器模式的功能体现了集成的好处，它的性能比现有PFC方法更好。没有PFC时，THD高于100％，功率因数低至0．50．在电子镇流器中加入PFC电路不仅提高了电路的功率因数，而且节约了能源。据统计，我国照明用电占全国总用电量的10%，即使其中半数采用这种镇流器，年节约电也可达162亿度，将PFC加入电子镇流器也是能源发展的必要。