電荷泵式電子鎮(zhèn)流器基本電路的分析

1）模態(tài)1

S2關(guān)斷，電感電流反向流經(jīng)D1，使S1可在ZVS狀態(tài)導(dǎo)通。在這種模態(tài)下，ua小于udc，uLr1總是正的。從而，電感電流iL的幅值下降，當(dāng)iL降到零時(shí)，這種模態(tài)結(jié)束。

2）模態(tài)2

S1導(dǎo)通，因?yàn)閡a處于0和udc之間，Da1和Da2均截止。由于電感電壓的極性關(guān)系，電感電流iL維持正向增長。當(dāng)ua達(dá)到udc時(shí)，這個模態(tài)結(jié)束。

3）模態(tài)3（箝位模態(tài)或續(xù)流階段）

Da1導(dǎo)通，ua被箝位到udc，uLr1為零。因此iL通過Da1和S1續(xù)流。當(dāng)S1截止時(shí)，該模態(tài)結(jié)束。

4）模態(tài)4

S1截止，迫使正向的電感電流流經(jīng)D2。從而使S2以ZVS導(dǎo)通。在這種工作模態(tài)中，ua總是正的，所以，電感電壓uLr1總是負(fù)的，電感電流的幅值下降。當(dāng)電感電流變成零時(shí)，該模態(tài)結(jié)束。

5）模態(tài)5

S2導(dǎo)通，Da1和Da2都不導(dǎo)通。因?yàn)閡a是處在udc和零之間。加在Lr1上的電壓是負(fù)的。因此，電感電流按反方向增加，如圖11所示。在降到零時(shí)，該模態(tài)結(jié)束。

圖11 新 電 路 的 理 論 波 形 圖

（uf為 開 關(guān) 電 壓 ， 虛 線 為 無 箝 位 二 極 管 ， 實(shí) 線 為 有 箝 位 二 極 管 ）

6）模態(tài)6（箝位模態(tài)或續(xù)流階段）

Da2導(dǎo)通，ua被箝位到零。電感電流經(jīng)過Da2及S2續(xù)流。在S2截止時(shí)，該模態(tài)結(jié)束，又接著模態(tài)1開始下一個循環(huán)。

圖11表明了有箝位二極管和沒有箝位二極管的波形圖。沒有箝位二極管時(shí)，諧振電路電流超前回路電壓，不能保證ZVS狀態(tài)。但是在有箝位二極管時(shí)，諧振電路電流就變得滯后回路電壓了（由于被箝位二極管引發(fā)的續(xù)流階段），MOSFET中的二極管在該開關(guān)管導(dǎo)通前總是導(dǎo)通著。自然就可得到ZVS狀態(tài)。所以，在采用了二極管箝位技術(shù)后，ZVS的負(fù)載范圍變寬了。通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，使該箝位二極管只在很短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，這樣箝位二極管的電流應(yīng)力就會很小。

3.3 進(jìn)一步的改進(jìn)措施

從圖11可看出，圖8所示電路中的燈電壓波形（ua－udc/2）不是正弦波，這是由于箝位工作模態(tài)所致，從而，燈電流中就存在高頻諧波分量。這會引起EM1輻射問題。此外，在負(fù)載變輕時(shí)，該基本電路會受較高的電壓應(yīng)力。這可采用第二級諧振技術(shù)來解決。圖12為最后所形成的電路。圖中Lr2和Cr2構(gòu)成第二級諧振電路。這可以在負(fù)載變輕時(shí)，把直流母線上的電壓降低，并且還提供必要的電壓變換增益去點(diǎn)亮燈管，同時(shí)又滿足式（7）（這是高功率因數(shù)所需要的），由于Lr2及Cr2的低通濾波作用，燈電流波形就接近正弦波。其EM1輻射就小了。因?yàn)閡a的包絡(luò)線被箝到udc，燈電流中電網(wǎng)頻率的紋波也會很小，燈電流的波峰比也下降了。

圖12 采 用 二 級 諧 振 有 箝 位 二 極 管 的 鎮(zhèn) 流 器 電 路

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證上面的理論分析，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。圖13是在圖12中沒有箝位二極管時(shí)的波形。其功率因數(shù)為98％，而輸入電流的THD是10.4％，燈電流的波峰比CF是2.4。

圖 13 沒 有 箝 位 二 極 管 時(shí) 的 波 形

圖14是有箝位二極管時(shí)的波形（電路參見圖12）。圖中元件參數(shù)如下：Lr1=400μH，Cr1=1.2nF，Cin=28nF，Lr2=800μH，Cr2=9.4nF；輸入電網(wǎng)電壓是交流220V，所以udc為310V，工作頻率為50kHz。功率因數(shù)0.995，THD是4.5％，CF是1.58。

圖14 采 用 二 級 諧 振 有 箝 位 二 極 管 時(shí) 的 波 形

圖12電路同圖1所示的基本電路相比較，所用磁性元件數(shù)相同。圖1所示電路中的變壓器是必不可少的，這是為了獲得適當(dāng)?shù)碾妷鹤儽?，去點(diǎn)亮燈管，同時(shí)要滿足式（7）。但圖1電路中的諧振電感器的體積尺寸很大，因?yàn)樗仨氃跓酎c(diǎn)亮瞬間，能維持較大的伏·秒積（在燈點(diǎn)亮瞬間，燈電流較大，有大的電流通過諧振電感，此時(shí)，電感不應(yīng)進(jìn)入磁飽和）。相反，諧振電感器的Lr1體積尺寸卻小得多，因?yàn)?，在點(diǎn)燈瞬間，Lr2和Cr2之間的第二次諧振，使得ua很小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所用磁材總體積從基本電路中62cm3降到新電路中的42cm3。雖然在新電路中多用了2只二極管，但新電路中，整個半導(dǎo)體開關(guān)器件上的電壓應(yīng)力卻大大低于基本電路的電壓應(yīng)力。因而，開關(guān)器件的價(jià)格也降低了。

5 結(jié)語

基本的“電荷泵”電子鎮(zhèn)流器電路，輸入電流的THD高，燈電流的CF高，此外，在輕負(fù)載時(shí)和低的電網(wǎng)電壓時(shí)，不易保持ZVS狀態(tài)。而通過采用簡單的二極管箝位技術(shù)，使輸入電流的波形和燈電流的波形大大改善了，THD和CF明顯地降低了。而由于引入了續(xù)流階段，使ZVS也容易維持。此外，由于磁性元件體積的減小，半導(dǎo)體開關(guān)管上電壓應(yīng)力的減小，使新電路的成本也降低了。