電荷泵式電子鎮(zhèn)流器基本電路的分析

ΔQch=Cin(ug＋2Up－udc) （4）

式中：2Up=uamax－uamin——ua的交流峰-峰值。

因為，在整個開關(guān)周期內(nèi)，整流二極管只在階段2內(nèi)導(dǎo)通，則一個周期內(nèi)的平均輸入電流就等于Cin的平均充電電流，即：

iin,av=fsΔQch=fsCin(ug＋2Up－udc) （5）

要使功率因數(shù)值大，就期望輸入電流緊緊跟隨輸入電壓，即：

iin,av∝ug （6）

如果在設(shè)計時，使

udc=2Up=ua,max－ua,min （7）

就會有：

iin,av=fsCinug∝ug （8）

這就意味著，如果滿足式（7），該電路就會有良好的功率因數(shù)。這里，假定ua是正弦波形。事實上，ua可能是幅值恒定的其它任何波形。ua的直流偏置，也不是決定輸入電流波形的因素。只要ua的峰-峰值（2Up）等于udc，就能保證獲得良好的功率因數(shù)。

從式（5）還可看出，2Up不應(yīng)小于udc，這可避免電網(wǎng)電壓過零時，電網(wǎng)電流發(fā)生波形畸變。如果2Upudc，則在ug≤|udc-2Up|時，電網(wǎng)電流會變成零。

2.2 輸入電流波形和燈電流波形不好的原因

在實際電路中，輸入電流可能畸變。這是由于Cin對逆變器電路的影響。該逆變器的工作可分為三個等效的拓撲，如圖5所示。圖5中R1a'是燈的等效電阻。圖5表明，電容Cin在階段1及階段3，并不影響電路工作，但在階段2和階段4，Cin被接入了諧振電路。在交流等效電路中，Cin同Cr并聯(lián)起來了。因此，該等效的逆變器，可近似為圖6的電路。等效諧振電容值等于Cineq＋Cr（而Cb1僅僅是個隔直電容）。

(a） 階 段1，3 (b) 階 段2 (c) 階 段4

圖5 逆 變 器 工 作 的 三 個 子 拓 撲

轉(zhuǎn)換后Cin的等效值可近似為一個可變電容Cineq，如圖6所示。因為，在一個開關(guān)周期內(nèi)，由Cineq泵入諧振電路中的電荷可由式（4）表示，Cineq兩端上的電壓變化等于2Up，則該等效的輸入電容可以這樣估算：

圖 6 近 似 等 效 的 逆 變 器

Cineq=ΔQch/ΔU=Cin(ug＋2Up－udc)/2Up （9）

通常，在交流電網(wǎng)電壓半周期內(nèi)，2Up和udc的變化是很小的，可通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計，使udc≈2Up，總能保持住。所以式（9）可寫成

Cineq≌Cin(ug/2Up)∝ug （10）

盡管式（10）從數(shù)學(xué)上講不是嚴密的。但它使我們能較好地理解Cin對諧振電路的影響。一般地說，由于Cin的影響，總的諧振電容值（Cr＋Cineq）是隨著電網(wǎng)電壓ug的下降而減小，如式（10）所示。這使得高頻交流電壓ua的幅值在電網(wǎng)電壓半周期內(nèi)成為可變的。從而，在此半周期內(nèi)，式（7）就不能成立。于是，輸入電流波形畸變了，THD也升高了。因為，燈的阻抗很接近一個具有負的動態(tài)值的電阻（負阻），則燈管電壓上疊加的100Hz的紋波也會在燈電流波形上引發(fā)較強的100Hz紋波。結(jié)果，燈電流的波峰比CF值也變高了。

當(dāng)電網(wǎng)電壓變低時，總的諧振電容就變小了。在輕載狀態(tài)，這可能引起該逆變器的諧振頻率偏移到高于開關(guān)頻率，諧振電路的電流iL將會超前回路電壓ut。結(jié)果，導(dǎo)致功率開關(guān)管MOSFET不能在零電壓下開 關(guān) （ZVS） （ 詳 見3中 的 論 述 ） 。 在 高 頻 工 作 時 ，MOSFET中 的 二 極 管 的 反 向 恢 復(fù) 電 流 可 能 會 損 壞MOSFET器 件 （ 詳 見3中 的 例 子 ） 。

雖然，選用大的Cr（Cr》Cin）可能會降低Cin引起的影響，但諧振電感器中的電流應(yīng)力仍然很高。所以，從效率和Lr的體積尺寸兩者來考慮，選用大的Cr并不可取。

3 改善輸入電流及燈電流波形的辦法

根據(jù)式（5），要獲得正弦輸入電流波形，有兩個途徑：一是調(diào)整MOSFET管的開關(guān)頻率fs，二是獲得一種關(guān)系式：2Up=udc。調(diào)整fs就需要復(fù)雜的控制電路，況且，也難保證得到低的燈電流波峰比CF。因此，設(shè)法使2Up=udc，是可選擇的途徑。

3.1 基本的解決思路

圖1基本電路的波形示于圖7。由于Cin的調(diào)制作用，ua的包絡(luò)線上有明顯的100Hz紋波。uc的變化，也不能跟隨輸入電壓ug。為得到良好的輸入功率因數(shù)，應(yīng)該濾平ua的包絡(luò)。在特殊情況下，2Up總是大于udc，可以采用二極管箝位技術(shù)，來濾平ua的包絡(luò)。此電路示于圖8，其波形如圖9所示。ua的包絡(luò)被箝在udc（在這種情況下，uamax=udc，uamin=0），式（7）總能成立?？色@得正弦輸入電流波形。

(a) ua波 形 (b) uc波 形

圖 7 基 本 電 荷 泵 電 路 中 的ua及uc波 形 （2Up>udc）

圖8 帶 箝 位 二 極 管 后 的 改 進 電 路

(c) 模 態(tài)3：iL> 0，ua=udc

(d) 模 態(tài)4：iL>0，0P udc>

(e) 模 態(tài)5：iL 0，0

(a) 模 態(tài)1：iL 0，0uaudc

(b) 模 態(tài)2：iL > 0，0uaudc

圖9 有 箝 位 二 極 管 后 ， 改 進 電 路 的ua及uc波 形

3.2 工作原理

該逆變電路的穩(wěn)態(tài)工作可分成六個工作模態(tài)，如圖10所示。圖中，ZA代表Cineg，Cr及R1a'＋Cb1的等效組合。圖11為該電路的仿真波形。在下面討論中，正向電流和電壓的方向按圖10所示定義。

圖 10 在 新 電 路 中 的 六 個 工 作 模 態(tài)