1、 地址：北京海淀闵庄路 3 号 清华科技园玉泉慧谷 电话：010-88856082 传真：010-88856082-8008电荷泵式电子镇流器基本电路的分析 高季荪 (西安无线电二厂，陕西西安 710016） 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 PF0.99，THD0.99,THD15，灯电流的
2、CF2.4。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，这两个元件在调地址：北京海淀闵庄路 3 号 清华科技园玉泉慧谷 电话：010-88856082 传真：010-88856082-8008整输入电流波形方面起到了
3、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
4、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 地址：北京海淀闵庄路 3 号 清华科技园玉泉慧谷 电话：010-88856082 传真：010-88856082-8008图 4 PFC 电 路 的 理 论 波 形 1）阶段 10 在这个阶段，因为节点
5、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=“ 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 udc） 地址：北京海淀闵庄路 3 号 清华科技园玉泉慧谷 电话：010-88856082 传真：010-88856082-8008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： iL0，0P udc (e) 模 态
6、5： iL 0，0 uaudc 图 9 有 箝 位 二 极 管 后 ， 改 进 电 路 的 ua及 uc波 形 3.2 工作原理 该逆变电路的稳态工作可分成六个工作模态，如图 10 所示。图中， ZA代表 Cineg， Cr及 R1a Cb1的等效组合。图 11为该电路的仿真波形。在下面讨论中，正向电流和电压的方向按图 10 所示定义。 地址：北京海淀闵庄路 3 号 清华科技园玉泉慧谷 电话：010-88856082 传真：010-88856082-8008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。
7、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，D a1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
8、，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 地址：北京海淀闵庄路 3 号 清华科技园玉泉慧谷 电话：010-88856082 传真：010-88856082-8008S2导通，D a1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
9、 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（
10、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。 地址：北京海淀闵庄路
11、3 号 清华科技园玉泉慧谷 电话：010-88856082 传真：010-88856082-8008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=400H， Cr1=1.2nF， Cin=28nF， Lr2=800H， 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
