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1、中国电源学会第二十一届学术年会集DCM 模式下共用电感的交错 Buck 电路应用于UV 灯电子镇流器的研究，（北方工业大学电子信息，北京 100144）Study on DCM mode of Interleaved Buck Circuit with Single Inductor Applied to Ultraviolet Lamp Electronic BallastZHANG Wei-ping, Lin Xiao-feng, Liu Yuan-chao(College of Electronic Information Engineering, North China Univers

2、ity of Technology,100144, China)够带来技术、效益和环境上的多重优势，因而ABSTRACT: In this paper, an ultraviolet (UV) lamp electronic ballast based on interleaved Buck circuit with single inductor is presented. Compared with traditional interleaved Buck circuit, the circuit with single inductor can use one inductor less

3、 and the current stress of fly-wheel diode can be reduced by a half. The advantages of interleaved Buck circuit working under DCM are analyzed. Then, the operating principles of the circuit and the details to design it are provided. Through the simulation of the circuit in Saber and a 3kW prototype

4、of UV lamp electronic ballast, the results prove the correctness of theproposed analysis.应用日益广泛。UV 灯电子镇流器的性能对 UV 灯的工作稳定性起到的作用。开关变换器在输出电流较大的应用场合中，常使用交错并联技术。采用 n 个支路的交错并联电路， 在同等输出的情况下，可以使每个支路开关管的电流、开关频率仅为原输出电流、原开关频率的 1/n。因而能减小开关管和续流二极管的电流应力，减小输出电流纹波和降低开关损耗，提高整机效率。此外，交错并联电路的总输出电流纹波频率为支路的n 倍，因而能够降低对磁性元件

5、和输出滤波电容的要求，使磁性元件和输出滤波电容减小，提高系统的功率密度1-3。大功率 UV 灯电子镇流器需要变换器输出的电流较大，采用交错并联技术能使系统具有以上诸多优点。对于基本 Buck 变换器，相比于 CCM 模式，KEY WORDS: interleaved Buck; single inductor; DCM;ultraviolet lamp; electronic ballast摘要：提出了工作于 DCM 模式下的交错并联 Buck 共用一个电感的电路，并将该电路应用于紫外线灯(UV)电子镇流器。该电路不仅具有普通交错并联Buck 电路的优点， 而且能少用一个电感，同时支路续流二极

6、管的电流应力也能减小一半。分析了交错 Buck 电路工作于 DCM 模式的优点， 对 DCM 模式下共用单个电感的交错 Buck 电路的工作原理进行了分析，给出了电路的设计方法。最后，对电路进行DCM对于模式下功率开关管承受电流应力较大。然而交错 Buck 电路，两个支路开关管的电流应力减半，因此即使工作在 DCM 模式，各支路电流应力也不大。而当交错 Buck 电路工作于 DCM 模Saber，并通过制作一台 3kW 的UV 灯电子镇流器样机进行了验证。式，其续流二极管不反向恢复，故能有效的减：交错Buck；单电感；DCM；UV 灯；电子镇流器1引言损耗。另外，由于 DCM 模式下交错 Bu

7、ck电路相当于两个支路工作，故可以共用一个电紫外线技术，是一种应用于印刷行业的绿感，能够节约成本、减小体积。同时，在省去一个电感元件后，由于两个支路上的续流二极管共同为一个电感进行续流，因此相比于普通交错 Buck 电路，单电感交错 Buck 电路的各支路续流二极管的电流应力能进一步减半。这里设计 UV 灯电子镇流器，采用单电感交错 Buck 电路，并使电路工作于DCM 模式。色技术。它利用 UV 灯通过 UV 灯镇流器产生紫外线，对紫外线辐射可材料进行辐射，使其产生光化学反应，达到瞬间粘合或。紫外线技术具有瞬间、持久性强、环保高效等优点，能基金项目：自然科学基金项目(51277004)；北京

8、市属高等学校次引进与培养计划项目 (IDHT20130501)1668中国电源学会第二十一届学术年会集2电路原理分析DCM 模式下共用一个电感的路如图 1 所示。阶段 2（ t1 t2 ） 在t1 时刻，S1 关断，此时S2 仍处于关断状态，故 D1、D2 同时导通，iA 迅速下降， iB 迅速上升，直到两者相等，即iA =iB 。此后电感 L 上的电流通过 D1、D2 同时续流，两者电流下降速率相等，此时iL =iA + iB = 2iA = 2iB 。在t2 时刻， iA 、iB 同时下降为零，电感电流iL 也下降为零。阶段 3（ t2 t3 ） 这一阶段 D1、D2 续流完成， 电感上的

9、电流iL 保持为零， iD1 、iD 2 、iA 、iB 也保持为零，负载由电容 Co 供电。交错Buck 电图 1 DCM 模式下单电感交错 Buck 电路假定开关管及二极管均为理想器件，电感电流近似线性变化，则工作于 DCM 模式下单电感的交错 Buck 电路的工作波形如图 2 所示。其中iA 、iB 分别为两支路流入电感L 的电流波形，即图1 中A 点、B 点的电流波形。阶段 4（ t t ） 类似于阶段 1。S2 导通，S134关断，D1、D2 截止，电流经 S2、L 为电容充电并为负载供能。这一阶段， i =i ， i = 0 ，L 储能。LBA） 类似于阶段阶段5（ t t2。在t

10、时刻，454S2 关断，此时 S1 仍处于关断状态，故 D1、D2 同时导通，iB 迅速下降，iA 迅速上升，直到两者相等， 即iA =iB 。此后 L 上的电流通过 D1、D2 同时续流， 两者电流下降速率相等，此时iL =iA + iB = 2iA = 2iB 。在t5 时刻， iA 、iB 同时下降为零，电感电流iL 也下降为零。阶段6（ t5 t6 ） 类似于阶段 3。这一阶段 D1、D2 续流完成，电感上的电流iL 保持为零，iD1 、iD 2 、iA 、iB 也保持为零，负载由电容 Co 供电。由以上分析可见，工作于 DCM 模式、共用一个电感的交错 Buck 电路，其输出与普通交

11、错 Buck 电路相同，具有交错并联 Buck 电路的优点。同时在省去一个电感元件后，电感的电流通过两个二极管 D1、D2 同时续流，因此相比于普通交错 Buck 电路，续流二极管的电流应力能进一步减半。图 2 DCM 模式下单电感交错 Buck 电路的工作波形在一个开关周期内，DCM 模式下电路的工作过程可分为 6 个阶段，如图 3 所示。3 电路设计3.1 电感设计交错 Buck 电路的临界模式定义为支路 1 续流完成后，支路 2 开关管刚好开始导通。(a) 阶段 1(b) 阶段 2（阶段 5）(c) 阶段 3（阶段 6）(d) 阶段 4图 3 DCM 模式下单电感交错 Buck 电路的

12、6 个工作阶段阶段 1（ t0 t1 ） S1 导通，S2 关断，D1、D2 截止，电流经 S1、L 为电容 Co 充电并为负载供能。这一阶段， iL =iA ， iB = 0 ，L 储能。图 4 DCM 模式下单电感交错 Buck 电路的工作波形1669中国电源学会第二十一届学术年会集为保证电路工作于 DCM 模式，电感 L 的取值应小于其临界值。为了计算临界电感值，在图 2 中令t2 = t3 、t5 = t6 ，即电感电流下降为零后，另一支路开关管刚好开启，得到的波形如图 4 所示。因为电路工作于 DCM 模式，在计算临界电感值的过程中，可以将交错并联 Buck 电路视为两个支路分别工作

13、。下面对临界电感 Lo 的计算作具体分析。若t2 = t3 、t5 = t6 ，显然有 D1 + D2 = 0.5 。对于其中的支路 1（S1、D1、L），有输出滤波电容的大小决定了交错 Buck 电路输出电压纹波的。工程应用中，在设计 Buck变换器的输出滤波电容时，常常根据对稳压电源输出纹波电压DVo 的要求来决定4。由前面的分析，工作于 DCM 模式的交错 Buck 电路，相当于单路 Buck 电路工作于两倍开关频率 2 f1 。因此也可以根据对输出纹波电压DVo 的要求，由式(7)来决定输出滤波电容的最小值 Co。Vo(1 - Dmin )Co =(7)8LDV (2 f )2V -

14、Vo1Di = i= ino D T(1)LLpk1 1 L4与实验验证支路 1 在 T1 时间内输出的平均电流为为了验证交错并联 Buck 电路工作原理分析的正确性，在 Saber 中搭建单电感的交错 Buck 电路12()D + D T i121 LpkIo1 =(2)T进行。并设计制作了一台 3kW 的 UV 灯电子镇1流器样机，对电路工作原理分析及电路设计的正确性进行了验证。4.1 电路的 Saber在Saber 中搭建单电感的交错Buck 电路进行对于支路 1、支路 2（S2、D2、L）来说，它们相当于分别工作在 DCM 模式，故电路的输出电压为D1V =V = 2DV(3)0in1

15、 in，其波形如图 5 所示。D + D12将(1)式、(3)式代入(2)式，化简可得L = (1 - 2D1 )V08 f1Io1(4)又对于支路 1、支路 2，有 I= I= 1 I ，o1o 202其中 I0 为电路总输出电流，所以L = (1 - 2D1 )V0 = (1 - 2D1 ) R0 = (Vin - V0 ) R0(5)图 5 DCM 模式下单电感交错 Buck 电路 Saber波形4 f I 4 f4 f V1o11in可见，电路波形与理论分析一致，验证式中 R0 为单电感交错 Buck 电路输出端的等效负载电阻。由以上分析可见，若支路的频率为 f1 ，工作了交错并联 B

16、uck 电路工作原理分析的正确性。4.2 实验验证及分析电子镇流器的输入为三相供电，接入单电感的交错 Buck 电路，输出整流后逆变电于 DCM 模式的交错 Buck 电路，等效于单路Buck 电路工作于两倍开关频率 2 f1 。当等效负载电阻 R0 取最小值，输入电压Vin取最小值时，可得临界电感 L 的最小值 L0路产生交流方波驱动 UV 灯。系统采用单片机进行，并根据紫外线灯特殊的负载特性，采用恒流和恒功率率。关于模式来使 UV 灯有稳定输出额定功环路的设计，文献5较为详细(V- V ) RL =in min00 min(6)的说明，这里不再分析。样机中，设计单电感交错 Buck 电路的

17、输出电04 fV 1 in min只要保证电感的取值 L £ L0 ，单电感的交错Buck 电路就能工作于 DCM 模式。3.2 输出滤波电容设计压为 225V，三相电整流后输入单电感交错Buck 电路的电压最小值约为Vin min = 465V 。当紫外线灯稳定工作时，单电感交错 Buck 电路输出端的1670中国电源学会第二十一届学术年会集V 2等效电阻可视为恒定，故可由 R0 = o 计算 BuckP输出端等效负载电阻。这里取 R0min = 16W 。另外， 取单电感交错 Buck 电路的各支路的工作频率为f1 = 8kHz 。将Vin min 、 R0min 、 f1 代入

18、 (6) 式可得， L0 = 272uH 。实际样机中，取 L = 220uH 。同样， 由(7)式计算可得Co » 13uF ，考虑到电容 ESR 等非理想因素，同时也为了得到更好的滤波效果，实际电路中采用 4 个20uF 的薄膜电容进行并联作为单电感交错 Buck 电路的输出滤波电容。制作的 UV灯电子镇流器样机如图 6 所示。iA 、iB 的电流波形(c)图 7 实验波形图 7(a)为交错 buck 输出电压波形；图 7(b)为紫外线灯两端电压与电流波形。图 7(c)为iA 、iB 的电流波形，与理论及分析的理想波形基本一致，但一定差异，两个支路续流过程并不一致。其现象为，当其

19、中一个支路的开关管关断时，该支路的电流下降与另一支路的电流上升并没有达到相等后进行同步续流。分析其 为，连接开关管与共用的电感之图 6 样机实物图样机稳定工作时的实验波形如图 7 所示。间的引线的引线电感引起的。为了验证以上分析的正确性，在图 1 所示电路中接入两个小电感 L1、L2 作为两个支路的引线电感，如图 8所示。对图 8 所示电路进行 Saber，的电流波形与实验波形一致，如图 9 所示。如果对引线进行优化，将会有更理想的分流效果。图 8 考虑引线电感的电路(a) 交错buck 输出电压波形图 9 考虑引线电感电路的波形5结论在基本交错并联 Buck 电路的基础上，提出了工作于DCM

20、 模式下的交错Buck 电路共用一个电感的电路。交错 Buck 电路工作于 DCM 模式，能够消除二极管的反向恢复损耗。采用单电感的交错 Buck(b) 紫外线灯两端电压与电流波形1671中国电源学会第二十一届学术年会集电路，不仅具有普通交错 Buck 电路的优点，而且能少用一个电感，节约成本，提高功率密度。同时在两支路的开关管均截止时，电感上的电流分别通过两个支路的续流二极管同时续流，因此单个支路二极管的电流应力相比于普通交错 Buck 电路能够减小一半。分析了单电感交错 Buck 电路工作于DCM 模式的原理，对电路设计进行分析，并进行2，张相军交错并联Buck 变换器设计及J. 电气传动. 2013(S1)分析3A. C. Sc