高频电子镇流器的 PFC 设计
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传统电感式镇流器具有效率低、重量大、闪烁严重、噪声大，功率因数低等缺点，使其不能满足人们对照明质量的要求。与之相比，高频电子镇流器具有重量轻、光效高、无闪烁、无噪声、寿命长等优点，被广泛用于照明系统中。
目前，欧盟已对电气设备的功率因数提出了严格的要求，规定在欧盟销售的功率大于75W的电气设备的功率因数技术指标应该满足欧洲技术标准EN61000-3-2（IEC61000-3-2）的有关要求，否则不能进入欧洲市场。同样，美国也提出了类似的技术要求。所以，今后电子产品如果不能满足功率因数技术指标的要求，则很难进入国际市场。
本文介绍了高频电子镇流器中功率因数调整（pfc）的设计思路，并通过实验验证了设计的可行性。
电子镇流器的总体结构
电子镇流器是连接在电源和气体放电灯（荧光灯、高压钠灯、金卤灯等）之间，将气体放电灯的工作电流限制在规定值的一种装置。电子镇流器将工作的交流输入市电电压经过整流后转变为直流电，再经过逆变器变换成较高工作频率的交流电，驱动气体放电灯使之启辉并点亮。电子整流器中的DC/AC高频逆变器一般工作在20～70kHz的高频下，点火电路用于产生一个宽度为4～5μs的高压脉冲，以点燃气体放电灯。
电路中的EMI滤波器将来自电网的射频干扰和电子干扰滤除，同时防止电子镇流器产生的射频干扰及电磁干扰进入电网，起到双向隔离作用。整流器将输入的220V/50Hz市电变换成300V左右的直流电压，经功率因数校正后变为高频逆变电路供电，通过点火电路启辉灯负载，并为之供电。
功率因数校正电路的主要功能是将整流器输出的300V左右直流电通过升压电路调整为400V左右的直流电压，为逆变电路供电。
功率因数校正
1功率因数的定义
功率因数（PF）是指交流输入的有功功率（P）与交流输入视在功率（S）的比值，可以利用以下公式计算：
PF=P/S=（V1I1cosΦ）/（V1Irms）=I1cosΦ/Irms=γcosΦ（1）
式中，I1表交流输入市电基波电流的有效值；Irms表示交流输入市电电流的有效值；γ=I1/Irms，表示交流输入市电电流的波形失真系数；cosΦ表示交流输入市电基波电压与基波电流的相移因数。所以，功率因数可以定义为交流输入市电电流的波形失真系数（γ）与相移因数（cosΦ）的乘积。即功率因数主要由两个因素决定，一个是交流输入市电的基波电流与基波电压的相位差Φ，另一个是交流输入市电电流的波形失真因数γ。而传统的功率因数概念是在电阻性线性负载并假定输入电流无谐波电流失真（即γ=1）的条件下得到的，这样功率因数的定义就变成了PF=cosΦ。
2功率因数校正方法
常用的功率因数校正电路按工作原理可以分为以下两类：无源功率因数校正电路，有源功率因数校正电路。
无源功率因数校正电路采用一些无源器件，如电阻、电感、电容、二极管等，特点是线路结构简单，功率因数可达到0.9以上，适用于小功率应用场合，但缺点是在某些频率点可能产生谐波而损坏用电设备。另外，工作在市电工作频率下，无源功率因数的L、C元器件体积较大，而且易受电网阻抗、负载特性的影响。
有源功率因数校正电路的基本工作原理是利用控制电路强迫交流输入电流波形跟随交流输入电压波形而实现正弦化，并与交流输入电压同步。其关键的部分是乘法器和除法器。有源功率因数校正电路的特点是：功率因数高可达到0.99以上，总谐波失真低（小于10%），交流输入电压范围宽（90～270V），输出电压稳定，所需磁元件体积小。其缺点是电路较复杂，电磁干扰（EMI）较大。
有源功率因数校正电路设计
有源功率因数校正电路可以实现理想的功率因数校正，使功率因数接近1，总谐波失真系数小于5%。
有源功率因数校正电路能对变化的谐波电流进行迅速的跟踪补偿，而且补偿特性不受电网阻抗和负载阻抗的影响，所以比无源功率因数补偿的效果更好。有源功率因数校正的作用相当于一个纯电阻，所以又被称为电阻仿真器。按照工作频率划分，可分为低频和高频两种。
有源功率因数校正电路的一个显著特点就是引入储能电感L和电流乘法器M。储能电感L与高频功率开关管VT的配合起到了电流分配器的作用。当功率开关管VT导通时，二极管VD截止，电流流过电感L；当功率开关管VT断开时，二极管VD导通，L储存的能量为负载供电。在二极管VD截止期间，负载电流靠输出电容C来维持。如果按照交流电压的正弦波形规律来控制功率开关管VT的导通和截止，通过电感L的电流波形将被正弦化。这里，乘法器M起着关键作用，它实际上是一个工作频率正比于正弦线电压频率的电流源。该电流源为PWM比较器提供参考信号iref，并与回路电流信号if进行比较，将其误差转化成驱动高频功率开关管VT的一系列时序脉冲信号。由于参考信号iref是完全跟踪正弦电压的正弦信号，这一系列导通时序脉冲信号的占空比也是严格按正弦规律分布的。控制过程是一个深度电流负反馈过程，从而实现输入电流波形包络的正弦化。另外，电流乘法器M的输出电流iref反比于有源功率因数校正电路的输出电压Vout，或者正比于输出电压比较器的输入电压VC，这意味着Vout也在左右PWM比较器的电流参考信号iref。乘法器M起到双重作用，强制输入电流的正弦化和稳定输出电
压Vout。
实验电路设计
MC33262是摩托罗拉公司推出的有源功率因数校正用控制集成电路。可以适用较宽的交流市电输入电压范围（85～270V），且功率因数可以达到0.99以上。图4是MC33262的内部结构图。
根据需要，设计了一个150W
PFC系统。其主要参数为：交流输入电压范围为175～265V；最大输出功率为150W，若Boost电路的提升电压为400V，则额定直流电流为375mA；若转换效率为η=90%，则额定输入功率Pin=P0/η=167W；最小开关频率选为fmin=25kHz；输入偏移因子IDF=0.98；最大纹波峰一峰值为8V。
式中，n为稳压输人峰值电压最大值；Pin为输入功率最大值；fmin为开关频率最小值。将主要参数代入式（2）得：L=544μH，在该设计中取L=550μH。
2输入滤波电容的设计
输入滤波电容的主要作用是滤除输入端的高频噪声，其容量很小。但如果其取值太小，很难较好地滤除输入的高频噪声，另一方面其取值又不能太大，否则会引起较大的输入电压偏移。
①输入滤波电容的下限值
输入滤波电容的下限值由输入滤波电容的最大纹波电压决定，可用式（3）计算：
式中，Vcin（max）为滤波电容的最大纹波电压，一般情况下，该值可取小于最低输入电压峰值的5%。将主要参数代入式（3）得：Cin（max）=0.50μF。
②输入滤波电容的上限值
输入滤波电容的上限值由输入偏移因子IDF决定，可用下式计算：
输出电容的选择不但要考虑容值，还要考虑电压应力，由于电路的响应速度较慢，当负载突然变轻时，可能会引起输出电压的过冲现象。考虑到一定裕量，它的耐压可按大于输出过压保护点1.1V来选取。在该电路设计中选择CO=220μF，耐压为450V的电解电容。
3功率开关管和输出二极管的选择
功率开关管与输出二极管的电流应力和电压应力都相同，下面分别计算两者的电流应力和电压应力。开关管和二极管的最大峰值电流：
开关管和输出二极管的电压应力需考虑输出过压保护点，因此其最大电压为：
在该电路设计中，选择功率场效应管FQPF5N60C作为开关管，其耐压为600V，最大电流为4.5A；选择快速恢复二极管MUR460作为输出二极管，其耐压为600V，最大电流为4A。
实验与结论
实验结果（见图7～图10）显示该AC/DC变换器在较宽广的输入电压范围下获得高度稳定的直流电压400V输出；纹波峰一峰值在8V以下；输出额定功率达150W；满载下效率η=95%；功率因数大于0.99；输入电流总谐波失真小于6%。