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基于临界电流模式的单级DCAC变换器及其控制

第23卷第3期2004

年7月

电工电能新技术

Vol.23,No.3July2004

收稿日期:

2004201219

基金项目:

中国博士后基金、福州大学科技发展基金资助项目（20022XQ206

作者简介:

林国庆（19662,男,福建籍,副教授,博士,研究方向为电力电子技术应用、智能监测与控制;

陈大华（19432,男,上海籍,教授,博导,研究方向为电光源技术。

基于临界电流模式的单级DCΠAC变换器及其控制

林国庆

1,2

陈大华1,陈和平3,张文雄

3

（1.复旦大学,上海200433;2.福州大学,福建福州3.福建源光亚明电器有限公司福建摘要:

本文提出了一种单级DCΠAC,可作为小功率HID灯的工作电源。

DCΠAC逆变器的特点,BUCKDCΠDC变

半桥逆变器工作在低频状态输出低频方波信号,可有效克服HID。

详细分析了它的工作原理,由于电感工作在临界电流模式,开关管实现零电流接通,提高了效率。

与两级电路（DCΠDC+DCΠAC相比,结构简单、所用器件少、可靠性高。

电路仿真和实验结果验证了该方案是可行的。

关键词:

低频方波;DCΠAC变换器;临界电流模式

中图分类号:

TM5　　　文献标识码:

A　　　

文章编号:

100323076（20040320039204

1　引言

不同类型的高强度气体放电灯（英文缩写HID,在高频工作时都存在使其稳定运行的特定频率范围,超出规定的频段,高强度气体放电灯极易发生声共振现象[1]

特别对金属卤化物灯,灯稳定工作的频段极窄,而且不同功率、不同生产厂家的金卤灯稳定工作的频段也各不相同,给金卤灯电子镇流器的设计和应用造成极大不便。

为此,人们提出了许多消除声共振的措施,如白噪声、扩展功率频谱、灯工作频率高于发生声共振的频率等,但效果并不理想,真正有效的措施是用低频方波来驱动,其频率一

般在100~500Hz之间[2,3]

。

电子镇流器常由三级变换器组成,第一级是功率因数校正,第二级采用DCΠ

DC变换器,第三级为低频DCΠAC逆变器[3]

这样的镇流器效率很低,成本高。

本文由BUCKDCΠDC变换器及半桥低频逆变器的原理提出了一种单级DCΠAC变换器,用于取代HID灯电子镇流器的第二级

和第三级[4]

所用器件少,结构简单,输出为低频方波,有效克服了声共振现象。

2　电路拓扑及控制原理

211　电路拓扑

如图1,Q1、Q2组成半桥DCΠAC变换器,互感器

T1有3个线圈T1-1、T1-2,T1-3,T1-1（电感L0既作为能量传递电感,又是电流互感器的初级

绕组,T1-2、T1-3是互感器的两个次级绕组,分别用来检测流过限流电感L0的双向电流。

C为大容量电容,既作隔直用,又当储能元件,Q1导通时电容储存能量,Q1关断时,则由该电容为负载提供能量,这样在负载端即可获得对称的低频方波信号。

Co为滤波电容,半桥驱动脉冲为受高频调制的低频脉冲,低频驱动脉冲使负载侧输出低频方波信号,高频调制信号通过调节其占空比控制输出电压或电流。

零电流处理器将由电流互感器检测到的电感电流进行处理,使高频PFM（PulseFrequencyModula2tion变换器在低频正负半波电感电流方向变化时仍能检测到电感电流的过零点。

不管电感电流方向如何,只要当电感电流线性减少到零时,PFM控制器即输出高电平驱动信号使功率开关管实现零电流接通,减少了开关管损耗。

图1　

ΠFig.1　Schematic2DCΠACinverter

212　控制原理

图2　低频方波DCΠAC变换器控制信号

Fig.2　Operatingwaveformofcontrolsignals

控制电压的时序如图2所示,电路有两种工作模式:

1模式1:

Q1高频通断,Q2关断。

Q1工作在高频PFM模式,工作频率由输出电

流平均值控制,R1为电流取样电阻。

当Q1导通时,电流从Vin流经Q1、L0、Load和电容C,电感L0两端电压VL0=

2Vin-V0稳态时Uc=2

Vin,电感电流线性增加,当Q1关断时,电感L0通过Q2体内二极管D2,Load,C释放能量,继续对负载提供能量,电感L0两端电压VL0

=-2Vin

-V0,电感电流线性减少,这过程相当于BUCKDCΠDC变换器工作过程（Q1为主开关管,Q2体内二极管D2当作续流二极管。

输出电压V0=dh-2

Vin。

2模式2:

Q1关断,Q2高频通断。

Q2工作在高频PFM模式,工作频率由输出电

流平均值控制,R2为电流取样电阻,当Q2导通时,电流从C流经Load,L0,Q2,电感L0两端电压VL0=

2Vin

-V0,电感线性增加,当Q2关断时,电感L0通过Q1体内二极管D1,Vin,C,Load释放能量,VL0=-

2Vin

-V0,电感电流线性减少。

该模式也是一个BUCK变换器（Q2为主开关管,Q1体内二极管D12

-dhVin。

1,实现半桥低频逆变,

。

213　信号抽取

电流信号抽取原理见图3,iR1、iR2分别为流过取样电阻

R1、R2的电流。

图1中Vf=iR1R1+iR2

R2,AMP为一单电源同相放大器,放大倍数为KV,

当Vf>0时,VS=KVVf;当Vf≤0时VS=0。

R1、R2分别为模式1、模式2的电流取样电阻,模式1工作时,VS=KViR1R1,模式2工作时,VS=KViR2R2,取

R1=R2,则在负载侧得到恒流对称低频方波输出。

图3　信号抽取原理图

Fig.3　Schematicdiagramofsignalsampling

3　主要参数选择

311　储能电容C选择

设输出功率为P0,低频工作频率

fl,电容平均电压Uc,电容电压允许变化量为Δul（见图4,则电容C大小应满足:

C≥

P0

2flΔulUc

（1

Uc值与低频驱动脉冲占空比和输入到半桥直流电

压Vin有关,当低频驱动脉冲占空比dl=015有:

Uc=

2Vin

（2

代入式（1得:

C≥

P0

flΔulVin

（3

04　　　电工电能新技术第23卷

图4　电容C电压波形Fig.4　WaveformofCv

312　占空比

在模式1,当Q1导通时,V

L0

=Vin-V0-Uc,Q1

关断时V

L0

=-V0-Vc

设电感工作在临界电流模式,低频驱动脉冲占空比dl=015,由电感伏秒平衡得:

V0=dhVin-Uc=dh-2Vin（4

式中d

h

为高频驱动脉冲占空比,可见当电感工作在临界电流模式时有:

dh>015（5同样模式2时输出电压:

V0=

2

-dhVin（6

可见当低频驱动脉冲占空比d

l

=015时,输出电压为正负对称低频方波。

313　输出电流纹波ΔI0[5]

电感L

工作于临界电流模式,则

il0max=Vin-V0

L0

dhTh（7

　　当电感电流iL0大于I

0时,滤波电容C0充电,

充电电流为i

c0

=iL0-I0,充电电量为图3中阴影部分面积:

ΔQC0=∫

T

2

T

1

（i

L0

-I0dt

=

4

（T

2

-T1iL0max=

8ThiL0max（8

其中（T

1

T2为一个开关周期内电容充电时间,对

电感电流临界工作模式T2-T1=

Th

2

Th为高频开

关周期,i

L0max为电感L0电流最大值。

高频电压纹波Δu

h为

Δu

h

=

ΔQ

C0

=

Vin-V0

8L0C0dhT

2

h

（9

由式（4、（9得电流纹波ΔI

0为

ΔI

=

Δu

R0

=

n

-

C0

V0

Vin

+

2

T2h

（10,为避免发生声共振,

ΔI

I0

≤5%,则有:

C0≥

5

2Vin

-V0

V0

Vin

+

2T

2

h

2L00

（114　实验结果

基于上述电路拓扑和分析,研制了一种35W电子镇流器样机

:

稳定时高频工作频率fh=50kHz,低

频工作频率f

l

=330Hz,输出功率P0=35W,Vin=400V（PFC输出,电容C=47μF,C0=0168μF,L=118mH。

实验波形如图5、图6

所示,电感电流工作在临界电流模式,负载侧输出波形为低频方波,实验结果与理论分析相符。

图5　电感L0电流波形（模式1

Fig.5　CurrentwaveformofinductorL0（Mode1

图6　低频方波DCΠAC变换器输出电压波形

Fig.6　Outputvoltagewaveform

oflow2frequencysquare2waveDCΠACinverter

5　结语

本文提出的单级DCΠAC开关变换器结合了14第3期林国庆,等:

基于临界电流模式的单级DCΠAC变换器及其控制　

BUCKDCΠDC变换器和半桥DCΠAC逆变器的特点,合二为一,负载侧输出为低频方波信号,可有效地克服声共振现象,两个高频开关管均实现了零电流软开关,减少了开关损耗,提高了工作频率。

与二级（DCΠDC级+DCΠAC级DCΠAC变换器相比,结构简单、所用器件少、可靠性高,效率高,是可用作小功率高强度气体放电灯电子镇流器的较有前途的电路拓扑。

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Asingle2stageDCΠACinverteranditscontrolstrategy

basedonboundarycurrentmode

LINGuo2qing1,2,CHENDa2hua1,CHENHe2ping3,ZHANGWen2xiong3

（1.FudanUniversity,Shanghai200433,China;2.FuzhouUniversity,Fuzhou350002,China;

3.FujianJuanKuangYamingElectricLimited,Fuzhou350001,China

Abstract:

Anovelsingle2stageDCΠACconverterwithgoodperformanceisproposedtooperatelow2powerHIDlampsinthepaper.Theproposedsingle2stageconverterisderivedfromcombiningaBuckDCΠDCconverterandahalf2bridgeDCΠACinverter,wheretheBuckconverterisoperatedathighfrequencytoregulatetheoutputpower,andthehalf2bridgeDCΠACinverterisoperatedatlowfrequencytopreventtheacousticresonance.Thecircuitoperationisdetailed.BecauseofZCS（Zero2current2switchingoperation,itcanworkinhighswitchingfrequencywhileachievinghigherefficiency.Theproposedconvertercaneliminateacontroller,threeactiveswitch,reducesizeandpossiblyincreasesystemreliabilityoveraconventionaltwo2stagesystem.Computersimulationresultsandexperimentalmeasurementsareusedtoverifythetheoreticalpredictionandanalyticaldiscussion.

Keywords:

low2frequencysquare2wave;DCΠACinverter;boundarycurrentmode

24　　　电工电能新技术第23卷