基于有源谐波和功率因数校正原理的高性能电子镇流器的研究毕业论文设计

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1、惠州学院HUIZHOU UNIVERSITY毕 业 论 文（设 计）中文题目：基于有源谐波和功率因数校正原理的高性能电子镇流器的研究英文题目：On the High-Performance Electronic Ballasts of the Theory of Active Harmonic and the Power Factor Correction姓 名： 钟志聪 学 号： 070701149 专 业： 电气工程及其自动化班 级： 07电气(1)班 指导教师： 罗中良 提交日期： 2011年5月20日 教务处制惠州学院2011届毕业论文（设计）基于有源谐波和功率因数校正的高性能电子镇流

2、器的研究 07电气 钟志聪 070701149 指导老师：罗中良 教授 （惠州学院电子科学系，广东，惠州，516007） 摘 要有源功率因数校正(Active Power Factor Correction简称APFC)是电力电子技术的重要组成部分，已经在越来越多的领域得到应用。上世纪九十年代以来，有源功率因数校正越来越多的引起人们的关注。本文分析了电子镇流器的功率因数校正问题,讨论了高性能电子镇流器系统必须具备的电路结构和有源功率因数校正电路(APFC)的基本原理。在此基础上设计了一种以MC34262为功率因数校正控制器的有源高功率因数电子镇流器，并从电路组成、MC34262说明所设计镇流器

3、的主要特点，给出详细的电路原理图及主要元器件的选型。关键词：有源功率因数校正；电子镇流器；MC34262On the High-Performance Electronic Ballasts of the Theory of Active Harmonic and the Power Factor CorrectionAbstractActive Power Factor Correction is one of the most important sections constructing power electronics, which has been widely used in v

4、arious fields. From 1990s, more and more attention has been paid to Active Power Factor Correction.The thesis analyzes the issue of electronic ballasts power factor correction. It lays stress on discussing the necessary circuit configuration of the High-performance electronic ballast system and the

5、basic theory of Active Power Factor Correction. A power factor correction controller, MC34262 is introduced and it is an active high power factor electronic ballast. The thesis illustrates how the ballast circuit constructed, the main features of MC34262, the detailed circuit principle diagram and t

6、he main component selection.Keywords：APFC；Electronic ballast；MC34262IV目 录1 概述11.1镇流器的来源与发展11.2 设计依据11.3 设计原始资料21.3.1传统电感镇流器工作原理21.3.2电子镇流器基本介绍31.3.3交流电子镇流器的优点42 设计方案62.1 设计内容62.2 荧光灯对电子镇流器的基本要求63 总体电路设计与分析83.1总体电路设计与分析83.1.1 总电路工作流程83.1.2高性能电子镇流器电路框93.1.3总设计电路图93.2 整流滤波电路的设计103.2.1 RIF(EMI)滤波器的设计103

7、.2.2整流滤波电路的设计114 电子镇流器功率因数校正控制134.1 功率因数校正134.2 无源谐波滤波逐流电路134.3 有源功率因数校正164.3.1 有源功率因数校正的基本原理164.3.2 功率因数校正方法概述174.3.3 MC34262有源功率因数控制器185 电子镇流器的振荡输出部分设计215.1高频振荡电路的设计21结束语22致谢23参考文献24附录25附录一 元件列表25附录二 文献翻译271 概述交流电子镇流器具有体积小、重量轻、启动电压低、无噪声、无闪烁、效率高等优点, 适应了目前中国市场上的节能和环保两大潮流, 发展势头强劲。但是目前国内市场上的绝大多数产品的性能与

8、国际电工委员会标准要求差距很大，主要表现在电源进线电流的谐波含量大、线路功率因数太低。这样会给电网带来污染，影响电网的利用效率。传统的整流桥加电容结构只在输入交流电压的峰值附近才会有输入电流, 滤波电容的引入又造成了交流的较大畸变，导致输入电流中含有很大的谐波成份，滤波电容越大，电流畸变越严重，功率因数也就越低,一般功率因数不会超过0.650，而且电网的高次谐波在电网中传导、辐射, 严重影响了临近设备的正常工作。为了使输入电流谐波满足标准要求, 在不增加太多成本的前提下，必须考虑如何进行功率因数校正。1.1镇流器的来源与发展20世纪70年代出现了世界性的能源危机，节约能源的紧迫感使许多公司致力

9、于节能光源和荧光灯电子镇流器的研究，随着半导体技术飞速发展，各种高反压功率开关器件不断涌现，为电子镇流器的开发提供了条件，70年代末，国外厂家率先推出了第一代电子镇流器，是照明发展史上一项重大的创新。由于它具有节能等许多优点，引起了全世界的极大关注和兴趣，认为是取代电感镇流器的理想产品，随后一些著名的企业都投入了相当的人力、物力来进行更高一级的研究与开发。由于微电子技术突飞猛进，促进了电子镇流器向高性能高可靠性方向发展，许多半导体公司推出了专用功率开关器件和控制集成电路的系列产品，1984年，西门子公司开发出了TPA4812等有源功率因数校正电器IC，功率因数达到0.99。随后一些公司相继推出

10、集成电子镇流器，89年芬兰赫尔瓦利公司又成功推出可调光单片集成电路电子镇流器，电子镇流器在全世界特别是发达国家已全国推广应用。1.2 设计依据本课题设计依据有：（1）任务书：基于有源谐波和功率因数校正原理的高性能电子镇流器的研究任务书；（2）设计标准：国标GB/T15144管形荧光灯用交流电子镇流器的性能要求；（3）技术参考：电力电子技术（西安交通大学黄俊）。1.3 设计原始资料本研究主要为高性能的交流电子镇流器。1.3.1传统电感镇流器工作原理传统电感式镇流器还在广泛使用，但传统镇流器本身是一个大电感，工作时无功分量大，所以它的功率因数低。而且低电压启动性能差，耗能大、笨重、频闪等缺点，所以

11、正逐渐为电子镇流器取代。为了使荧光灯正常工作，必须满足三个条件：a、灯丝的预热电流或灯丝电流；b、高电压启动；c、限制工作电流。其工作原理如图1-1所示。图1-1 传统电感镇流器工作原理图图中，当开关闭合电路中施加220V，50HZ的交流电源时，电流流过镇流器，灯管灯丝启辉器给灯丝加热（启辉器开始时是断开的，由于施压了一个大于190V以上的交流电压，使得启辉器内的跳泡内的气体弧光放电，使得双金属片加热变形，两个电极靠在一起，形成通路给灯丝加热），当启动器的两个电极靠在一起，由于没有弧光放电，双金属片冷却，两极分开，由于电感镇流器呈感性，当电路突然中断时，在灯两端会产生持续时间约1ms的600V

12、-1500V的脉冲电压，其确切的电压值取决于灯的类型，在放电的情况下，灯的两端电压立即下降，此时镇流器一方面对灯电流进行限制作用，另一方面使电源电压和灯的工作电流之间产生55。-65。的相位差，从而维持灯的二次启动电压，使灯能更稳定的工作。电感镇流由于结构简单，寿命长，作为第一种荧光灯配合工作的镇流器，它的市场占有率还比较大，但是，由于镇流器本身是一个大电感，工作时无功分量大，所以它的功率因数低。而且低电压启动性能差，耗能大、笨重、频闪等诸多缺点，它的市场慢慢地被电子镇流器所取代，电感镇流器能量损耗：40W（灯管功率）+10W（电感镇流器自身发热损耗）等于整套灯具总耗电为50W。1.3.2电子

13、镇流器基本介绍电子镇流器的组成如图1-2所示。图1-2电子镇流器基本结构图电子镇流器是一个将工频交流电源转换成高频交流电源的变换器，其基本工作原理如图1-3所示。图1-3高性能电子镇流器的电路结构图工频（50/60HZ）市电电压在整流之前，首先经过射频干扰（RFI）滤波器滤波。RFI滤波器一般由电感（L）和电容（C）元件组成，用来阻止镇流器产生的高次谐波反馈到输入交流电网，以抑制对电网的污染和电子设备的干扰。同时也可以防止来自电网的干扰侵入的电子镇流器。对于高品质的电子镇流器，在器全桥整流器与大容量的滤波电解电容器之间，往往要设置一级功率因数校正（PFC）升压型变换电路。其作用就是获得底电流谐

14、波畸变，实现高功率因数。DC/AC逆变器的功能是将直流电变换成高频电压。高频变换部分的核心是功率开关元件。可作为开关使用的晶体管可使用场效应管（MOSFET）。逆变电路一般为20-50KHZ，输出波形取决于电路结构的选择。DC/AC逆变电路主要有半桥式逆变电路和推挽式逆变电路两种形式。高频电子整流器的输出级电路通常采用LC串联的谐振网络。灯的启动必须通过LC电路发生串联谐振，利用启动电容两端产生高压脉冲将灯点亮。在灯启动之后，电感元件对灯器限流作用，由于电子镇流器的开关频率达几十千赫兹，故电感器只需很小体积即可胜任。为使电子镇流器安全可靠地工作，还要辅助电路。有的从镇流器输出到DC/AC逆变电

15、路引入反馈网络，通过控制电路以保证与高频产生器同步变化。目前比较流行的异常状态保护电路，是将电子镇流器的的输出信号采样，一旦出现灯开路或不能启动等异常状态，则通过控制电路使振荡器停振，关断高频变换器输出，从而实现保护功能。1.3.3交流电子镇流器的优点（1）节电效果显著。电子镇流器的节电特征主要表现在以下三方面：增加光输出，提高光效。事实上，影响荧光灯光效的许多因素是由设计者和制造者决定的，用户无法控制。但荧光灯的发光效率受供电频率的影响，而该因素是可以控制的。对一些荧光灯的研究发现，荧光灯交流供电频率从50Hz增加到20kHz以上时，灯光效一般可提高10。对于同样的光输出，采用电子镇流器取代

16、电感镇流器后，输人功率可以减小。自身功耗低。各种气体放电灯电感镇流器功耗一般约为灯功率的20。40w荧光灯电感镇流器一般为SW，只要不大于9W即可符合产品标准要求。而这种灯用的电子镇流器功耗可低至4W以下。对于双管58W、1500mm飞利浦出品的节能型荧光灯，当采用电感镇流器时，则需要2只，每只镇流器功耗达13w，两只则为26W但若采用电子镇流器，只需要一个则可驱动与控制2支灯，镇流器功耗仅约8W毫无疑问，双管及双管以上荧光灯采用电子镇流器后，节电效果更加明显。双管荧光灯电子镇流器电路与单管荧光灯电子镇流器电路比较，不同点只不过是在DCAC逆变器输出瑞多并接一个LC串联支路。在电子镇流器自身损

17、耗相同的情况下，灯功率愈大，节能效果则愈显著。具有高功率因数。大家知道，荧光灯采用电感镇流器，功率因数一般仅为0.50.6。而采取功率因数校正措施的电子镇流器，系统功率因数很容易达到0.9以上，甚至能达到非常接近于1的水平，这是采用电感镇流器难以实现的。线路功率因数的提高，在同样的发电和变电设备条件下，能够有效地提高供电能力和电源利用率，改善供电质量，节约大量的电能。（2）体积小、重量轻、无闪烁、无噪声。在工频条件下使用的电感式镇流器，大而笨重，要消耗掉大量的钢材和铜材，而且会使灯产生频闪效应，还会发出令人烦恼的蜂音。电子镇流器在20kHz以上的高频下工作，消除了噪声和灯闪烁现象，避免了对一人

18、的噪音干扰和服疲劳。在高频下电子镇流器只需采用很小的磁性元件，使重量大为减轻。（3）在较底的电源电压下可使荧光灯启动。电感镇流器在电网电压降低到190V以下时，不能将灯启动。目前我国很多地区，尤其是农村，线路电压往往底于220V的额定值。而采用电子镇流器，即使电源电压降低到130V，在室温下仍可正常点燃。412 设计方案2.1 设计内容交流电子镇流器有体积小，启动快速，电流稳定，功率因数高、谐波分量小等优点。本课题的设计内容包括：（1）电子镇流器整流滤波电路的设计；（2）功率因数校正的电路设计；（3）电子镇流器高频振荡电路的设计；（4）保护电路设计；（5）其它辅助保护功能等设计。2.2 荧光灯

19、对电子镇流器的基本要求当荧光灯与电子镇流器配套工作时，为保证荧光灯能正常点燃，对灯的性能不造成损害，电子镇流器必须具备以下主要功能：（1）给灯两端提供一个足够高的启动电压，使灯点火成功。目前，多数电子镇流器是通过u串联电路发生串联谐振产生高压脉冲，施加于灯管两端将灯启动引燃的。对于高强度放电灯电子镇流器，必须产生35kV的高压点火脉冲，才能将灯启动。这一比普通荧光灯高数倍的启动电压，一般是通过触发启动电路的升压变压器获得。对于阴极预热式荧光灯，在灯启动点火之前，电子镇流器还必须对灯阴极进行预热，而且预热时间不小于0.4S，阴极预热电压或电流必须符合产品标准的规定要求。（2）在灯点火之后，为灯提

20、供一个大小合适而且稳定的工作电流。灯电流若高于其额定工作电流，会影响灯的使用寿命。但若灯电流偏小，则会影响灯光效。电子镇流器的输出功率、施加于灯两端的电压和给灯提供的实际电流必须与所配接的灯参数相匹配。（3）必须将电流谐波含量控制在标准规定限值之内，以防止对电网造成严重污染，并获得高功率因数。如果电子镇流器不采取谐波滤波和PFC措施，输入电流波形会出现严重畸变。过高的电流谐波含量会使交流供电电源的中线电流增大，引起中线超负荷，影响电力系统的安全经济运行。尤其是当电子镇流器在商场这类公共场合密集使用时，往往会使电子镇流器出现成批损坏，甚至会引起火害。同时，谐波含量还与线路功率团数密切相关。如果对

21、电子镇流器的电流谐波不采取抑制措施，线路功率因数会降低到0.6以下的水平，这是不能允许的。另外，由于电子镇流器的开关频率达2060kHz，故必须将其电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI）降低到可以接受的程度。（4）必须具有较高的安全性与可靠性。尽管电子镇流器较之电感镇流器具有许多突出的优点，但如果其安全性与可靠性没有最基本的保证，也将失去其实用价值。对电子镇流器安全性及可靠性的基本要求是：在灯没有接入或灯不能启动等异常条件下，镇流器应不受损害；镇流器用绝缘材料，应具有足够的耐热和耐火性能；镇流器用零部件，应具有良好的防潮湿和防腐蚀性能；镇流器应充分具备防止意外接触带电体的保护，镇流器在故障状态

22、下工作时，不得产生易燃气体，不得喷出火焰或熔化金属，也不得使防止意外接触带电体的保护装置受到损伤；镇流器必须能经受住产品标准规定条件下的耐久性试验。以上这几项基本要求，在电子镇流器产品标准GB15143和GBY15144中，都有明确的规定。对荧光灯交流电子镇流器的性能要求和安全要求，是设计和生产电子镇流器的指南，是电子镇流器必须具有和达到的基本条件。3 总体电路设计与分析3.1总体电路设计与分析根据电子镇流器的基本要求，本文设计的高频电子镇流器主要包括整流，滤波器、功率因数校正电路、功率因数校正控制及保护电路、逆变电路、逆变控制电路等部分组成，滤波器起防止或减轻电磁干扰的作用；功率因数校正变换

23、器用以提高输入端功率因数及提供400VDC左右的电压；半桥逆变电路则提供了高频交流电压，因为高强度气体放电灯需要工作于交流状态，防止极化；点火电路则在启动瞬间提供高压用于击穿气体；半桥逆变制及保护电路则为MOSFET提供脉冲及保护，使荧光灯能正常工作。3.1.1 总电路工作流程总电路工作流程如图3-1所示。输入交流电整流滤波后将高频电逆变利用MC34262控制来提高功率因数高频电压启动荧光灯图3-1 总电路工作流程3.1.2高性能电子镇流器电路框根据电子镇流器的基本要求，电路框图如图3-2所示。EMI滤波器及整流电路功率因数校正电路逆变电路灯电路网络控制电路图3-2高性能电子镇流器电路框3.1

24、.3总设计电路图总体电路图如图3-3所示，具体设计过程在后面论述。图3-3总设计电路图3.2 整流滤波电路的设计3.2.1 RIF(EMI)滤波器的设计所谓电磁干扰（EMI），是因为电磁波造成设备、传输通道或系统性能降低的一种电磁现象。EMI的来源，既有外界的，也有内部的；有人为的，也有非人为的因素。事实上，每台机电、电子电器设备都可以看作是外部EMI源。除了像无线电和电视广播那样的播送设备、手提式无线电话、雷达和电子导航系统等射频设备，还有家用电器、计算机、办公自动化设备、荧光灯。电力线、电子测量仪钱和机动车辆等均可视为团m发射源。这类干扰源无处不在，简直是数不胜数。除人为的因素外，还有闪电

25、、宇宙噪声、太阳辐射和太阳黑子等自然干扰湖。电磁干扰会严重影响电子电气设备的正常运行，甚至会使电子元器件发生永久性的损坏。因此，必须采取措施对其给予充分地抑制。目前抑制EMI的技术措施有屏起、接地（浮地、本点地和接地网）与滤波。其中，滤波技术是抑制传导干扰最有效和最经济的手段。由于各种干扰在系统接口处最为严重，故EMI滤波器均插入到系统电源线的入口处。荧光灯交流电子镇流器输入电路中的EMI滤波器有C型（纯电容）、L型（一个电动、一个电容）、T型（两只电感、一个电容）、型（一个电感、两只电容）、双型（对称绕在同一个磁芯上的两个电感、两只电容）等。对于较大功率的电子镇流器，其输入电路中的EMI滤波

26、器大多采用以双型滤波器为基础的复式混合型结构。图3-4EMI滤波电路在图3-4中，L1与L2、C2和C3与C4组成EMI滤波器，用于差模一共模方式的EMI/RFI的抑制。在元件数值上，L1=L2，C1=C2，C3=C4。L1和L2对共模干扰信号（非对称干扰电流）呈现高阻抗，而对差模信号（对称干扰电流）和电源电流呈现低阻抗，这样就保证了对电源电流的衰减甚微，而同时又抑制了电流噪声。通常L1、L2对称地绕在同一磁芯上，这样可以常工作电流范围内，由于磁性材料产生的磁性互相补偿，从而能避免磁通饱和。但是对于不对称干扰（共模）信号来说，这两个线同产生的磁场是相互加强的对外呈现出的总电感明显加大，于是，对

27、称的干扰信号就被L1、L2和C1、C2大大地抑制了。L1、L2与C1C4组成的EMI滤波器实际是一种低通滤波器。由于电感对射频起阻流作用，而小电容对射频近似于短路，故能有效地抑制射频干扰。3.2.2整流滤波电路的设计荧光灯交流电子镇流器都是利用桥式整流电路将交流电源转换成直流电源的。未采取功率因数校正（PFC）措施的电子镇流器，大多都是采用电解电容作为滤波器，将全桥整流电路输出的脉动直流电压变成纹波较小的平滑直流电压，作为高叛逆变器的供电电源。图3-5整流滤波电路所设计的整流滤波电路如图3-5所示。图中，在单相交流电压的正半周，整流二极管VD1、VD2导通，电流流过VD1、负载和VD2，回到交

28、流电源的负端。当VD1、VD2正向导通时，VD3、VD4因加反向电压而截止。在交流电压的负半周，VD1、VD2截止，VD3、VI4导通，电流流经VD3、负载和VD4，回到交流电源的负端。由此可见，负载在一个周期内都有电流流过，而且始终是一个方向。若不加滤波电容C1、，桥式整流器输出脉动直流电压，频率是交流输入电压频率的2倍，并保持正弦半波波形。加了滤波电容C1之后，通过C1周期性地充电和放电，则可获得纹波比较小的直流电压。由于只有在交流输入电压瞬时值高于整流滤波电压时，桥式镇流器中的二极管才因正向偏置而道通，而在交流输入瞬时电压幅值底于整流滤波电压，整流二极管则因反向偏置而截止，故整流二极管只

29、有在交流电源电压峰值附近才道通，道通角远小于。由于大容量滤波电容C1的存在，交流输入电流IAC波形出现严重畸变，不再是正弦波形，而呈现幅值很大的尖峰脉冲。这种电流波形的高次谐波含量很高，致使线路功率因数降低到0.5-0.65，这是人们所不期望的。解决这个问题的技术措施就是采用PFC电路。而本设计则采用了比PFC电路更好的APFC电路。在本设计中整流电路是配合功率因数一起做用的，滤波用电解作为最后的输出级，为了保证变换器的正常工作，一般要求输出的电压比输入的峰值电压高15%左右，对220V的交流电，输出的电压大约为400V左右，故电解的容量为47,耐压450V ，而4个二极管可选用1N4007。

30、4 电子镇流器功率因数校正控制4.1 功率因数校正功率因数校正（英文是Power Factor Correction，缩写为 PFC）亦称谐波滤波，是荧光灯交流电子镇流器的关键技术之一。为了减少镇流器输入电流的谐波失真，必须采取一些特殊措施，通常称之为功率因数校正技术来提高它的功率因数。大致说来，功率因数校正有两种方案：无源功率因数校正(PassivePFC)和有源功率因数校(ActivePFC)。4.2无源谐波滤波逐流电路电子镇流器整流电路后加电容滤波后虽然能产生脉动很小的直流电压,但是交流电源侧的电流畸变厉害,变成尖顶波,原因是只有当交流电源的瞬时电压高于整流侧的电压时,二极管才会导通,并

31、且滤波电容越大, 电流畸变的越厉害.如果采用较小滤波电容,甚至不用滤波电容,虽然可以得到较高的功率因数,但是灯电流波峰比会比较高,而且还可能出现灯闪烁,开关晶体管击穿等缺点,不能达到GB15143, GB15244 等标准.采用PPFC技术后能增大二极管的导通角,抑制交流电源电流的畸变(减小THD),提高线路功率因数,减少对输电线路上其他电气设备危害.这里主要介绍逐流电路这种PPFC技术。如图4-1所示，桥式整流电容滤波电路的输入电源电压 、电流 和输出直流电压波形可以看出，只有在瞬时值高于电容C1上的电压的，整流二极管才导通。虽然所获得的直流电压比较平滑，但整流二极管的导通角由于明显减小，才

32、导致电源电流波形失真。PFC电路的基本功能就是增大整流二极管的导通角，抑制电源电流的波形畸变，提高线路功率因数。图4-1桥式整流电容滤波波形所谓逐流，意指电子镇流器交流输入端的电源电流追逐电源电压瞬时变化轨迹，既含有追逐、又含有续流之内涵。典型以逐流电路如图4-2所示。这种无源谐波滤波网络由两个电容C1、C2和三个二极管VD5VD7组成，用以替代普通桥式整流电容滤波电路中的单只滤波电容。图4-2无源谐波滤波逐流电路由两个电容和三个二极管组成的无源滤波电路，最早出现于美国的120V、NCll。电子镇流器中。进入90年代后，它在我国开始流行。由于APFC控制器IC的飞速发展及其广泛应用，逐流电路在

33、发达国家早就销声匿迹了。但由于其可以将线路功来因数轻而易举地提高到09以上，电源电流谐波总含量可以降低至 30 左右达到 H级水平比较经济实用故该谐波滤波电路在我国仍未被淘汰。逐流电路的工作原理基于降低输出直流电压在每一个半周期内，将交流输入电压高于直流输出电压的时间拉长，整流二极管的导通角就可以增大，电源电流过零的死区时间则缩短。现结合图4-2电路，来说明逐流电路的原理与功能。图4-3无源谐波滤波逐流波形图在桥式整流器输入端，50HZ的交流电压以正弦规律由零向峰值变化的1/4周期内，即在 0t5ms期间，全桥整流器中的二极管VD1、VD3因正向偏置而导通，VD3、VD4则因反偏而截止，电源电

34、流经VD6对串联电容C1和C2允电。当上升到Vm时，C1和C2上的电压VclVc2。在期间。按正弦规律下降。当瞬时值刚一开始下降时，对普通桥式整流（单只）电容滤波电路来说，VD1和VD2则将截止，但对于逐流电路，电容C1就迅速通过负载和VD5放电，并且放电速率比正弦下降来得快。直到，VD1、VD2则一直导通，有电流通过。C1两端电压从开始放电，直到下降为零。当瞬时值小于，VD7因正向偏置而导通，电容C2开始以指数规律通过VD7和负载放电。在此之后，输入AC电压底于，所以VD1、VD2截止。但在t10ms后的开始一段时间内，由于小于，VD3、VD4仍因反偏而不能马上进入导通，电流继续中断。只要高

35、于DC输出电压最小值，VD3、VD4则开始导通，电源电流在一次对C1、VD6和C2充电， 又开始追踪按正弦规律上升，于是出现与正半周期类似的情况。如此周而复始，得到如图4-3所示的电压和电流波形。4.3 有源功率因数校正4.3.1 有源功率因数校正的基本原理有源功率因数校正的基本原理可用下图所示的简单电路来说明，由APFC控制MOS管VT1的开通与关断，使输入电流变成一连串的的三角波，并且它的幅度按输入电压的正弦规律变化，因此可以大大提高电路的功率因数。此电路由功率MOS开关管VT1、升压电感L、升压二极管VD、输出电容C。及APFC控制及APFC控制器IC所组成。电路的具体工作情况如图4-4

36、所示：图4-4有源功率因数补偿电路原理图（1）开关管VT1导通在APFC控制器输出高电平(正方波)信号的控制下使VT1导通时，开关管VT1导通，此时二极管因受输出直流电压Vo的反偏而截止，整流后在电容C1上得到的是一个单向的正弦电压(电容C的容量不能太大)，将在电感L中产生电流。当电感电流的峰值增加到与该时刻输入电压大小相对应的某一数值I时，APFC控制器便输出低电平的开关信号，使开关管VT1截止，电流IL停止上升。（2）开关管VT1截止时 由于电感电流IL不能突变，只能有原来的数值线性下降。电感的磁能释放出来，与输入电压相叠加，对电解电容器Co充电，电容上面的电压显然笔输入电压高。因此这种电

37、路称为升压式APFC电路。在开关管截止时，电感电流下降，下降到零时，他有输出控制信号，是开关管在一次导通，开始下一个开关周期。4.3.2 功率因数校正方法概述功率因数校正可简单地定义为有功功率与视在功率之比。即 其中有功功率是一个周期内电流和电压瞬时值乘积的平均值，而视在功率是电流的rms值与电压的rms值的乘积。如果电流和电压是正弦波而且同相，则功率因数是1.0。如果两者是正弦波但是不同相，则功率因数是相位角的余弦。在电工基础课程中，功率因数往往就是如此定义，但是它仅适用于特定情况，即电流和电压都是纯正弦波。这种情况发生在负载由电阻、电容和电感元件组成，而且均为线性（不随电流和电压变化）的条

38、件下。因为输入电路的原因，开关模式电源对于电网电源表现为非线性阻抗。输入电路通常由半波或全波整流器及其后面的储能电容器组成，该电容器能够将电压维持在接近于输入正弦波峰值电压值处，直至下一个峰值到来时对电容再进行充电。在这种情况下，只在输入波形的各峰值处从输入端吸收电流，而且电流脉冲必须包含足够的能量，以便在下一个峰值到来之前能维持负载电压。这一过程通过在短时间内将大量电荷注入电容，然后由电容器缓慢地向负载放电来实现，之后再重复这一周期。电流脉冲为周期的10%到20%是十分常见的，这意味着脉冲电流应为平均电流的5到10倍。4.3.3 MC34262有源功率因数控制器MC34262为有源功率因数控

39、制器，设计用作电子镇流器和冷底板功率变换器电源应用场合中的预变换器、这些集成电路的特性有：一个独立应用场合的内部启动定时器、一个1象限乘法留用于功率因数接近1的情况、零电流检测费用来保证临界导通操作、跨导误差效大贸、用于增强启动的快速启动电路、可微调的内部带隙参考、电流检测比较器、和一个非常适合于驱动功率MOSFET的图腾柱式输出。MC34262的基本结构如图4-5所示。图4-5MC34262基本结构保护性特性包括：一个过压比较器用来消除负载断开时引起的输出电压不断上升、有滞后的输入欠压输定、逐周限流、限制最大峰值开关电流的乘法器输出乾位、一个RS锁存器用于单个脉冲计量、一个驱动输出高电平状态

40、钳位电路用于MOSFET栅极保护。这些留件可提供双列直播和表面贴装封装。为了能够超越在线电流谐波成分规定的要求，迫切需要采用经济的方案使得功率因数为1。以下的资料和数据都是关于如何设计简单、高性能价格比的获得有源功率因数校正的解决方案的。通过使用无源或者有源输入电路可实现功率因数校正。无源电路通常包含工作在交流频率上的大电容，电感和整流器的组合。有源电路采用了用于电源处理的高频开关变换器的一些形式，以升压变换器最为常见。因为有源输入电路工作在比交流线高得多的频率上，因而它比具有相同效果的无源电路更小，更轻而且效率更高。通过适当控制预变换器，几乎在任何复杂的负载都能转换成对交流性呈现电阻性，这样

41、大大减少了谐波电流成分。MC34262是高性能冷底版、临界导通电流模式功率因数控制器，为有源功率因数校正预变换器设计，这些器件提供了必需的特性以显著改善不良功率因数负载，方法为保持交流线电流的正弦性以及线电压同相。有源功率因数校正预变器原理如图4-6所示。图4-6有源功率因数校正预变器主体电路如图47。图中，工作输入从180250v。提供80W的输出功率，在额定交流线上大约为0.998的功率因数。图4-7MC34262内部结构C5小电解电容是用以消除高频噪音的，因为如果用大用量的话，会使输入的波形的取样信号严重失真，不能有效地对输入电流进行控制。R5、R3组成分压器，为乘法器提供取样的输入，而

42、他旁边的电容C2是用来消除高频噪音的。R1、R2组成的分压器是误差放大器的反相输入端的输入信号来源，最终产生乘法器的另一路输入。最主要的元件还是，D5和Q1，在整个电路中起到非常重要的作用D6、C4为整流滤波后为IC的后备电源。5 电子镇流器的振荡输出部分设计5.1高频振荡电路的设计图5-1高频振荡电路在功率因数控制器完成以后，后面的输出部分就为上图所示的输出部分，实际上是一个大功率管开关振荡电路，R14、C11是一个积分电路，他与D9 及DIAC又组成了启动电路，而2个晶体管和高频振荡变压器又组成了推挽式开关振荡电路，振荡频率为2060KHZ，而电阻R16、R17、和二极管D3、D5、D7等

43、，都是为了晶体管的保护电路，L2、C12、C15组成了LC串联谐振电路。为了提高电子镇流器的可靠性与安全性，需要对其采取一些保护措施。电子镇流器输入线路的保护手段主要有过电压保护和过电流保护。FU为保险丝，用于过电流保护；RT是负温度系数（NTC）热敏电阻，用作抑制接通电源瞬间的浪涌电流冲击；RV是氧化锌压敏电阻，用作瞬态电压抑制器。结束语电子镇流器工作在高频交流电压下，噪声、频闪的现象自然消失, 因而他的节能特点尤为突出，但目前市场上低档电子镇流器产品,质量低劣、可靠性差、失效率高，而且参数与日光灯管不匹配,影响灯管的发光效率和使用寿命, 电路输出的高次谐波含量高，对电网干扰大等缺点，因而高

44、性能电子镇流器的开发研制，是一项非常迫切的任务。本文设计的电子镇流器, 其PFC 电路以MC34262为核心，不但提高了功率因数,而且有效降低电源总谐波失真。由于自己本身的能力有限，时间有限，不能研究得十分透彻，不足之处尚请各位老师多多指教。致谢本次毕业设计是在罗中良老师的精心指导下，通过同组成员的共同讨论、交流下才顺利完成的。在课题的研究设计和论文的撰写过程中，老师都给予了我们许多无私的帮助和关怀，花费了大量的心血，才能使我顺利完成各项工作。在此，向恩师谨致我最崇高的敬意和最诚挚的谢意！老师对我在学习上的严格要求和教诲，对学生的负责，使我受益匪浅，这些必将对我以后的学习、工作和生活产生深远的

45、影响。在此，向罗中良老师谨致我最崇高的敬意和最诚挚的谢意！同组同学在设计过程中也给与了很大的帮助,可以说没有他们的帮助,这次的设计我是很难完成的。在此,向他们表示感谢!然后还要感谢大学四年来所有的老师，为我们打下电力电子专业知识的基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才会顺利完成。最后感谢惠州学院电子科学系对我的大力栽培。参考文献1 童诗白,化成英.模拟电子技术基础.高等教育出版社. 20082 阎石.数字电子技术基础.高等教育出版社.20093 王兆安，黄俊.电力电子技术.机械工业出版社.20074 倪海东，庚鸿.绿色照明控制技术宗述.绿色照明，2005,

46、6（9）：25275 张卫平.绿色电源现代电能变换技术及应用（第一版）.科学出版社，20016 毛兴武，祝大卫.电子镇流器原理与制作（第一版）.人民邮电出版社，19997 张丽.HID灯电子镇流器中APFC电路的设计.科技经济市场，2009,7：788 唐威.APFC数字控制技术的研究 .西南交通大学，20089 杨秀林.无源高功率因数校正电路.中国照明电器，2007,2：141710 刘旭.电子镇流器的滤波与校正（下）.中国照明电器.2004,4：717附录附录一 元件列表个数编号说明名称电阻类1R11.8m,1/4W,碳膜电阻-1R210K, 1/4W,碳膜电阻-1R3100K, 1/4W

47、,碳膜电阻-1R43.3, 1/4W,碳膜电阻-1R522K, 1/4W,碳膜电阻-2R6、R1727, 1/4W,碳膜电阻-1R72.2K, 1/4W,碳膜电阻-1R82.2M, 1/4W,碳膜电阻-1R9150K, 1/4W,碳膜电阻330,-1R10330, 1/4W,碳膜电阻-1R110.75, 1/4W,碳膜电阻-1R125.1K, 1/4W,碳膜电阻-1R131M, 1/4W,碳膜电阻-1R14390K, 1/4W,碳膜电阻-2R15、R185.1, 1/4W,碳膜电阻-1R16270, 1/4W,碳膜电阻-1R195K,可调电阻-1NTC热敏电阻-1RV压敏电阻-电容类5C1 C

48、2 C5 C8 C110.1UF/250V-2C3 C44700P/250/V-3C6 C14 C150.01UF/250V-1C7100UF/25V-2C12 C133300P/250V-1C1047UF/450V电解-其他元件1IC1主控ICMC342621Q1开关晶体管IRF8302Q2 Q3BUT11A1D1辅助二极管1N40041D21N49372D3 D41N41484D5D8保护电路用二极管FR1071BD1整流桥PBP2041TNR滤波电感磁芯12G4711DIAIC触发管32VDB3附录二 文献翻译电力电子技术电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子

49、器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术所变换的“电力”功率可大到数百MW甚至GW，也可以小到数W甚至1W以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于电力变换。简介电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。 现已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。 电力电子学（Power Electronics）这一名称是在上世纪60年代出现的。1974年，美国的W.Newell用一个倒三角形（如图）对电力电子学进行了描述，认为它是由电力学、电子学和控制理论三个

50、学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。“电力电子学”和“电力电子技术”是分别从学术和工程技术2个不同的角度来称呼的。 一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出的第一个晶闸管为标志的，电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的。此前就已经有用于电力变换的电子技术，所以晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前或黎明时期。70年代后期以门极可关断晶闸管（GTO），电力双极型晶体管（BJT），电力场效应管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件全速发展（全控型器件的特点是通过对门极既栅极或基极的控制既可以使其开通又可以使其关断），使电力电

51、子技术的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT 可看作MOSFET和BJT的复合）为代表的复合型器件集驱动功率小，开关速度快，通态压降小，在流能力大于一身，性能优越使之成为现代电力电子技术的主导器件。为了使电力电子装置的结构紧凑，体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助器件做成模块的形式，后来又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前PIC的功率都还较小但这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。 利用电力电子器件实现工业规模电能变换的技术，有时也称为功率电子技术。一般情况下，它是将一种形式的工业电能转换成另一种形

52、式的工业电能。例如，将交流电能变换成直流电能或将直流电能变换成交流电能；将工频电源变换为设备所需频率的电源；在正常交流电源中断时，用逆变器（见电力变流器）将蓄电池的直流电能变换成工频交流电能。应用电力电子技术还能实现非电能与电能之间的转换。例如，利用太阳电池将太阳辐射能转换成电能。与电子技术不同，电力电子技术变换的电能是作为能源而不是作为信息传感的载体。因此人们关注的是所能转换的电功率。 电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电

53、子装置及其系统。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。作用(1) 优化电能使用。通过电力电子技术对电能的处理

54、，使电能的使用达到合理、高效和节约，实现了电能使用最佳化。例如，在节电方面，针对风机水泵、电力牵引、轧机冶炼、轻工造纸、工业窑炉、感应加热、电焊、化工、电解等14个方面的调查，潜在节电总量相当于1990年全国发电量的16%，所以推广应用电力电子技术是节能的一项战略措施，一般节能效果可达10%-40%，我国已将许多装置列入节能的推广应用项目。 (2) 改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。据发达国家预测，今后将有95%的电能要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用的各种机电设备中，有95%与电力电子产业有关，特别是，电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口，它为传统

55、产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件，成为发挥计算机作用的保证和基础。 (3) 电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传统，向高频化方向发展。实现最佳工作效率，将使机电设备的体积减小几倍、几十倍，响应速度达到高速化，并能适应任何基准信号，实现无噪音且具有全新的功能和用途。 (4) 电力电子智能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技术与电力电子技术一体化，其发展有可能引起电子技术的重大改革。有人甚至提出，电子学的下一项革命将发生在以工业设备和电网为对象的电子技术应用领域，电力电子技术将把人们带到第二次电子革命的边缘。器件02年出现了第一个玻璃的汞弧整流器。

56、1910年出现了铁壳汞弧整流器。用汞弧整流器代替机械式开关和换流器,这是电力电子技术的发端。1920年试制出氧化铜整流器，1923年出现了硒整流器。30年代，这些整流器开始大量用于电力整流装置中。20世纪40年代末出现了晶体管。20世纪50年代初，晶体管向大功率化发展，同时用半导体单晶材料制成的大功率二极管也得到发展。1954年，瑞典通用电机公司(ASEA公司)首先将汞弧管用于高压整流和逆变,并在100千伏直流输电线路上应用，传输20兆瓦的电力。1956年，美国人J.莫尔制成晶闸管雏型。1957年，美国人R.A.约克制成实用的晶闸管。50年代末晶闸管被用于电力电子装置，60年代以来得到迅速推广

57、,并开发出一系列派生器件,拓展了电力电子技术的应用领域。 电力电子电路 随着晶闸管应用的推广，开发出许多电力电子电路，按其功能可分为：将交流电能转换成直流电能的整流电路；将直流电能转换成交流电能的逆变电路；将一种形式的交流电能转换成另一种形式的交流电能的交流变换电路；将一种形式的直流电能转换成另一种形式的直流电能的直流变换电路。这些电路都包含晶闸管，而每个晶闸管都需要相应的触发器。于是配合这些电力电子电路出现了许多的触发控制电路。根据所用的器件,这些控制电路大体上可以分为3代。第一代的控制电路主要由分立的电子元件（如晶体管、二极管）组成。直到80年代后期，还用得不少。第二代由集成电路组成。自从

58、1958年美国出现了世界上第一个集成电路以来，发展异常迅速。它应用到电力电子装置的控制电路中,使其结构紧凑,功能和可靠性得到提高。第三代由微机进行控制。70年代以来，由于微机的发展使电力电子装置进一步朝实现智能化的方向进步。 电力电子装置 随着电力电子电路的发展和完善，由晶闸管组成的许多类型的电力电子装置不断出现。如大功率的电解电源、焊接电源、电镀用的直流电源；直流和交流牵引、直流传动、交流串级调速、变频调速等传动用电源；励磁、无功静止补偿、谐波补偿等电力系统用的电力电子装置；低频、中频、高频电源等各种非工频电源，尤其是感应加热的中高频电源；不停电电源、交流稳压电源等各种工业用电力电子电源；各

59、种调压器等等。这些电力电子装置,与传统的电动机-发电机组比，有较高的电效率(以容量10千瓦至数百千瓦、频率为1000赫的电动机-发电机组为例,在额定负载下,效率80，并随负载减小而显著降低,若用晶闸管电源,92,且随负载变化不大），因此，有明显的节能效果。电力电子装置是静止式装置，占地面积小，重量轻，安装方便（以焊接电源为例,与旋转焊机相比，重量减轻80,节能15）。同时，电力电子装置往往对频率、电压等的调节比较容易，响应快，功能多，自动化程度高，因此用于工业上不但明显节能，还往往能提高生产率和产品质量，节省原材料，并常能改善工作环境。但电力电子装置大多为电子开关式装置，它往往对电网和负载产生

60、谐波干扰，有时还对周围环境引起一定的高频干扰，这是在设计这些装置和系统时必须妥善解决的（见高次谐波抑制）。进展从20世纪50年代中到70年代末，以大功率硅二极管、双极型功率晶体管和晶闸管应用为基础（尤其是晶闸管）的电力电子技术发展比较成熟。70年代末以来，两个方面的发展对电力电子技术引起了巨大的冲击。其一为微机的发展对电力电子装置的控制系统、故障检测、信息处理等起了重大作用,今后还将继续发展;其二为微电子技术、光纤技术等渗透到电力电子器件中，开发出更多的新一代电力电子器件。其中除普通晶闸管向更大容量（6500伏、3500安）发展外，门极可关断晶闸管(GTO)电压已达4500伏，电流已达 250

61、03000安；双极型晶体管也向着更大容量发展，80年代中后期其工业产品最高电压达1400伏，最大电流达400安,工作频率比晶闸管高得多,采用达林顿结构时电流增益可达75200。 随着光纤技术的发展，美国和日本于19811982年间相继研制成光控晶闸管并用于直流输电系统。这种光控管与电触发的晶闸管相比，简化了触发电路，提高了绝缘水平和抗干扰能力，可使变流设备向小型、轻量方向发展，既降低了造价，又提高运行的可靠性。同时，场控电力电子器件也得到发展，如功率场效应晶体管(power MOSFET)和功率静电感应晶体管(SIT)已达千伏级和数十至数百安级的电压、电流等级，中小容量的工作频率可达兆赫级。由

62、场控和双极型合成的新一代电力电子器件，如绝缘栅双极型晶体管（IGT或IGBT）和MOS控制晶闸管（MCT）也正在兴起,容量也已相当大。这些新器件均具有门极关断能力，且工作频率可以大大提高，使电力电子电路更加简单，使电力电子装置的体积、重量、效率、性能等各方面指标不断提高，它将使电力电子技术发展到一个更新的阶段。与此同时，电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置的计算机模拟和仿真技术也在不断发展。电力电子技术创新98年末朱镕基总理明确指示，今后必须加快国家创新体系的建设，因此可以肯定的说，在21世纪初国家发展中，技术创新将要变成企业工作的主导内容，而发展与建立适合中国国情的 电气工业的技术创新机制，通过电力电子技术长足进步推动新型电气工业不断升级和进步进 而走向世界。电力电子技术虽然它具有微电子技术的许多共同特征，如发展变化都非常迅速 ，渗透力和创新表现十分突出，生命力格外旺盛，处于阳光产业地位，并与其它学科相互融 合和发展产生新的机遇，而电力电子技术还有其自身一些独具特色的地方，如高电压、大容 量及控制功率范围大，因此技术的创新难度在于必须跨越高电压大功率这一关卡，及其技术 的综合难度，如材料工业和制造工艺，而电力电子器件工作的可靠性是其极其重要的一个技术指标。为此电力电子技术的创新是与多种学科相互渗透并对各种工业领域有着极强的渗透性。因此电力电子技术与国家的基础产业关系密