电荷泵式电子镇流器基本电路的分析
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，thd<5％，而灯电流的cf0.99,thd<5％)and lamp current(cf15％，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>图8 带 箝 位 二 极 管 后 的 改 进 电 路
(c) 模 态3：il> 0，ua=udc
(d) 模 态4：il>0，0p udc>
(e) 模 态5：il< 0，0
(a) 模 态1：il< 0，0?ua 0，0图 10 在 新 电 路 中 的 六 个 工 作 模 态
1）模态1
s2关断，电感电流反向流经d1，使s1可在zvs状态导通。在这种模态下，ua小于udc，ulr1总是正的。从而，电感电流il的幅值下降，当il降到零时，这种模态结束。
2）模态2
s1导通，因为ua处于0和udc之间，da1和da2均截止。由于电感电压的极性关系，电感电流il维持正向增长。当ua达到udc时，这个模态结束。
3）模态3（箝位模态或续流阶段）
da1导通，ua被箝位到udc，ulr1为零。因此il通过da1和s1续流。当s1截止时，该模态结束。
4）模态4
s1截止，迫使正向的电感电流流经d2。从而使s2以zvs导通。在这种工作模态中，ua总是正的，所以，电感电压ulr1总是负的，电感电流的幅值下降。当电感电流变成零时，该模态结束。
5）模态5
s2导通，da1和da2都不导通。因为ua是处在udc和零之间。加在lr1上的电压是负的。因此，电感电流按反方向增加，如图11所示。在降到零时，该模态结束。
图11 新 电 路 的 理 论 波 形 图 （uf为 开 关 电 压 ， 虚 线 为 无 箝 位 二 极 管 ， 实 线 为 有 箝 位 二 极 管 ） 6）模态6（箝位模态或续流阶段） da2导通，ua被箝位到零。电感电流经过da2及s2续流。在s2截止时，该模态结束，又接着模态1开始下一个循环。 图11表明了有箝位二极管和没有箝位二极管的波形图。没有箝位二极管时，谐振电路电流超前回路电压，不能保证zvs状态。但是在有箝位二极管时，谐振电路电流就变得滞后回路电压了（由于被箝位二极管引发的续流阶段），mosfet中的二极管在该开关管导通前总是导通着。自然就可得到zvs状态。所以，在采用了二极管箝位技术后，zvs的负载范围变宽了。通过适当的设计，使该箝位二极管只在很短时间内导通，这样箝位二极管的电流应力就会很小。 3.3 进一步的改进措施 从图11可看出，图8所示电路中的灯电压波形（ua－udc/2）不是正弦波，这是由于箝位工作模态所致，从而，灯电流中就存在高频谐波分量。这会引起em1辐射问题。此外，在负载变轻时，该基本电路会受较高的电压应力。这可采用第二级谐振技术来解决。图12为最后所形成的电路。图中lr2和cr2构成第二级谐振电路。这可以在负载变轻时，把直流母线上的电压降低，并且还提供必要的电压变换增益去点亮灯管，同时又满足式（7）（这是高功率因数所需要的），由于lr2及cr2的低通滤波作用，灯电流波形就接近正弦波。其em1辐射就小了。因为ua的包络线被箝到udc，灯电流中电网频率的纹波也会很小，灯电流的波峰比也下降了。
图12 采 用 二 级 谐 振 有 箝 位 二 极 管 的 镇 流 器 电 路 4 实验结果 为验证上面的理论分析，进行了实验。图13是在图12中没有箝位二极管时的波形。其功率因数为98％，而输入电流的thd是10.4％，灯电流的波峰比cf是2.4。
图 13 没 有 箝 位 二 极 管 时 的 波 形 图14是有箝位二极管时的波形（电路参见图12）。图中元件参数如下：lr1=400μh，cr1=1.2nf，cin=28nf，lr2=800μh，cr2=9.4nf；输入电网电压是交流220v，所以udc为310v，工作频率为50khz。功率因数0.995，thd是4.5％，cf是1.58。
图14 采 用 二 级 谐 振 有 箝 位 二 极 管 时 的 波 形 图12电路同图1所示的基本电路相比较，所用磁性元件数相同。图1所示电路中的变压器是必不可少的，这是为了获得适当的电压变比，去点亮灯管，同时要满足式（7）。但图1电路中的谐振电感器的体积尺寸很大，因为它必须在灯点亮瞬间，能维持较大的伏·秒积（在灯点亮瞬间，灯电流较大，有大的电流通过谐振电感，此时，电感不应进入磁饱和）。相反，谐振电感器的lr1体积尺寸却小得多，因为，在点灯瞬间，lr2和cr2之间的第二次谐振，使得ua很小。实验结果表明，所用磁材总体积从基本电路中62cm3降到新电路中的42cm3。虽然在新电路中多用了2只二极管，但新电路中，整个半导体开关器件上的电压应力却大大低于基本电路的电压应力。因而，开关器件的价格也降低了。
5 结语 基本的“电荷泵”电子镇流器电路，输入电流的thd高，灯电流的cf高，此外，在轻负载时和低的电网电压时，不易保持zvs状态。而通过采用简单的二极管箝位技术，使输入电流的波形和灯电流的波形大大改善了，thd和cf明显地降低了。而由于引入了续流阶段，使zvs也容易维持。此外，由于磁性元件体积的减小，半导体开关管上电压应力的减小，使新电路的成本也降低了。
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(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>
(a) 模 态1：il< 0，0?ua 0，0
图11 新 电 路 的 理 论 波 形 图 （uf为 开 关 电 压 ， 虚 线 为 无 箝 位 二 极 管 ， 实 线 为 有 箝 位 二 极 管 ） 6）模态6（箝位模态或续流阶段） da2导通，ua被箝位到零。电感电流经过da2及s2续流。在s2截止时，该模态结束，又接着模态1开始下一个循环。 图11表明了有箝位二极管和没有箝位二极管的波形图。没有箝位二极管时，谐振电路电流超前回路电压，不能保证zvs状态。但是在有箝位二极管时，谐振电路电流就变得滞后回路电压了（由于被箝位二极管引发的续流阶段），mosfet中的二极管在该开关管导通前总是导通着。自然就可得到zvs状态。所以，在采用了二极管箝位技术后，zvs的负载范围变宽了。通过适当的设计，使该箝位二极管只在很短时间内导通，这样箝位二极管的电流应力就会很小。 3.3 进一步的改进措施 从图11可看出，图8所示电路中的灯电压波形（ua－udc/2）不是正弦波，这是由于箝位工作模态所致，从而，灯电流中就存在高频谐波分量。这会引起em1辐射问题。此外，在负载变轻时，该基本电路会受较高的电压应力。这可采用第二级谐振技术来解决。图12为最后所形成的电路。图中lr2和cr2构成第二级谐振电路。这可以在负载变轻时，把直流母线上的电压降低，并且还提供必要的电压变换增益去点亮灯管，同时又满足式（7）（这是高功率因数所需要的），由于lr2及cr2的低通滤波作用，灯电流波形就接近正弦波。其em1辐射就小了。因为ua的包络线被箝到udc，灯电流中电网频率的纹波也会很小，灯电流的波峰比也下降了。
图12 采 用 二 级 谐 振 有 箝 位 二 极 管 的 镇 流 器 电 路 4 实验结果 为验证上面的理论分析，进行了实验。图13是在图12中没有箝位二极管时的波形。其功率因数为98％，而输入电流的thd是10.4％，灯电流的波峰比cf是2.4。
图 13 没 有 箝 位 二 极 管 时 的 波 形 图14是有箝位二极管时的波形（电路参见图12）。图中元件参数如下：lr1=400μh，cr1=1.2nf，cin=28nf，lr2=800μh，cr2=9.4nf；输入电网电压是交流220v，所以udc为310v，工作频率为50khz。功率因数0.995，thd是4.5％，cf是1.58。
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