浅析新型逆变式电子镇流器工作原理与设计方法

1、浅析新型逆变式电子镇流器工作原理与设计方法摘要：介绍一种新型逆变式电子镇流器电路结构，该电子镇流器利用电感、电容和二极管构成的辅助电路实现输入电流波形的校正并使功率开关管工作在零电压开关状态，具有高功率因数、高工作效率、低波峰系数和电路结构简单的特点。分析了电路的工作原理，介绍了电路参数设计方法，给出了实验结果。 1 引言由于电子镇流器具有较高的灯光效、高的功率因数、重量轻、无闪烁、无噪声和使用电压范围较宽(170270V)等优点，在我国已得到广泛的应用。电子镇流器功率虽小，但使用量极大。因而其性能好坏直接影响到节电效果和对电网污染的程度。本文介绍的电子镇流器不但性能好，而且电路结构简单，成本

2、低，具有较好的应用前景。2 电路工作原理分析21 电路结构新型逆变式电子镇流器主电路如图1所示，图中CS为隔直电容，虚线所包围的部分为实现高功率因数而附加的电路，电感L为一个能量传输者传递着电流，同时也起着提高直流电压和电流波形校正的作用。两个电容Cx、CY为两个小型能量槽储存一部分能量，这两个能量槽在高频方式下完成充放电功能。两个二极管VDx、VDy引导电感电流进入电解电容C或负载回路。由于附加能量处理单元的作用，使整流二极管导通角增大到180°。电感L中的电流是一个高频振荡波形，其平均值电流跟随输入电压的波形，从而达到功率因数校正的目的。R1、C1、双向触发二极管VD4为触发启动

3、电路。22 工作过程为了分析方便，输入电压和整流桥被等效成Urec(t)和VDr表示，其中Urec(t)=Uimsint，Uim为输入电压峰值，为输入交流电压频率。灯负载回路等效成一个电流源电路，其电流表达式为io(t)=Iomsinot(Iom为负载电流幅值，o为功率管开关频率)。由于逆变电路开关频率远比输入交流电压频率高，在分析过程的每一开关周期中可认为输入电压是近似不变的。又由于该逆变电路在输入电压峰值附近和输入电压瞬时值较低时的工作状态略有不同，分析时按两种情况讨论。对应的等效电路图及工作波形图分别如图2和图3所示。第一种工作情况：这种工作情况对应于输入电压瞬时值较低时的工作状态。整个

4、工作过程分五个阶段，此种情况下Ucx最大值低于电解电容C两端直流电压Udc，而且电感电流iL是断续的。(1)第阶段 功率管VF2导通并同时通过iL及iO电流， Cx被iL充电，而CY电压被箝位于零，在这一阶段结束时，电感电流谐振到零，Cx上电压达到最大值，VDr和VDy关闭。(2)第阶段 负载电流流过功率管VF2，iL保持为零。在这一阶段结束时，关断VF2。(3)第阶段 VF2关断后，Cx通过负载回路放电，Ucx下降。(4)第阶段 随着Ucx的下降，当整流电压高于Ucx时，VDr导通，入端电流通过电感开始对CX和CY充电。由于Cx中放电电流大于充电电流，因此Ucx继续下降直到零为止，此时VD1

5、导通。(5)第V阶段 VD1导通后，VD1中流过的电流为负载电流与电感电流之差，随着负载电流的减小和电感电流的上升，在这一阶段结束时，VDl续流结束。功率管VFl开始导通进入后半周期。由于后半周期工作与前半周期相似，不再详述。第二种工作情况：此种工作情况对应于输入电压在峰值附近时的工作状态。整个工作过程分四个阶段，在这种情况下，Ucx的最大值能达到电解电容C两端直流电压Udc，电感电流是连续的。(1)第1阶段 VF2导通，在此之前Cx上电压已经升高并钳位于Udc。因为C比Cx大得多，所以电感电流都经C通过，因此VF2仅仅通过负载电流。在这一阶段结束时，关断VF2。(2)第阶段 VF2关断后，C

6、X中能量向负载放电，电感电流向Cy充电。由于此阶段为输入电压的峰值附近，所以电感电流也处在峰值附近，对CY的充电速率加大。在此阶段中Ucx与UCY之和接近于但小于Udc。而在本阶段结束时， Ucx与UCY之和达到Udc，使VDy导通。(3)第阶段 VDy导通后，使电感电流通过C形成通路。而Cx又通过负载回路放电，在这一阶段结束时， Ucx已降为零， UCY升到Udc，使VD1导通。(4)第阶段 VD1开始续流，续流电流为负载电流与电感电流的差值，当VD1续流结束时，功率管VFl导通，进入后半周期。3 电路工作特点(1)功率管工作在零电压开关状态。功率管在反并联二极管续流时开通，可以实现零电压开

7、通。功率管VF2关断时，其电流iVF2瞬间下降为零，原来流过VF2的电流转向对CX放电。VF2的漏源电压为Udc减去Ucx，使VF2漏源电压以某一斜率上升，这个斜率的大小取决于CX放电速率的大小，这就保证了VF2关断时漏极电流与漏源电压交叠几乎很小，达到了零电压关断的效果。(2)高功率因数。在每一开关周期内，电容Cx或CY先是储存能量，然后再把存储的能量传送到负载。整流二极管导通角可达到半周期。由于能量处理单元所储存的能量主要对电解电容C和负载放电，因此功率开关管的电流等级与普通电子整流器相同。(3)与普通泵式电子整流器相比， C两端直流电压偏低，有利于降低对功率管耐压的要求。(4)灯电流波峰

8、系数较小。4 电路主要参数计算假设负载电流与电感电流在正半周的两个交点对应的角度分别为：a， a。根据电容上电压电流的关系可得：Cx=Iomcos2pi(90)Uim/(oUdc)。电容CX不易选得太大，否则有可能在VF1导通时，还未放电完毕，造成CX对功率管的放电。但也不易太小，否则功率因数校正效果较差。根据试验，。选在30°40°为宜。由于电路的对称性，CY=Cx。根据工作原理，考虑到图2中电感电流及电容电压的波形，要保证在半个开关周期内电感电容谐振并使电容电压充电到最大值，这时电感值为L= (02CX)-15 实验结果在输入交流电压有效值为220V，灯功率40W情况下，选逆变开关频率为32kHz，工作效率初选90，根据文献2查得灯工作电压为103V，灯电流为043A。考虑到与灯并联电容的作用，Ls中流过的电流比灯电流高，假设高出10，则Ls中流过的电流峰值Iom为0.67A。设Udc=320V，a初取为30°。把以上参数代人到Cx和L的计算公式，得到Cx=44nF，L=56mH，其他参数为Ls=3mH， CL=56nF，隔直