（电工理论与新技术专业论文）单级有源功率因数校正电子镇流器触发电路研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t i n c o m m o u i y e l e c t r o n i cb a l l a s t s u s ead o u b l ea o d o 嗽p o w e rc o n v e r s i o n t r a d i t i o n a ll o w - c o s ts o l u t i o nf o rt h ea c - d cc o n v e r s i o nu s i n gaf u l l w a v er e c t i f i e ra n d af i l t e rc a p a c i t o rc a n n o tb eu s e dd u et or e s t r i c t i o u so nt h eh a r m o n i cc , o m e n ti nt h ei n p u t c n r r e n ti m p o s e db yr e g u l a t i o n s1 1 1 2 1 ，s u c ha si e c1 0 0 0 3 2 n o w , w i d e l yu s e d e l e c t r o n i cb a l l a s tc o m p r i s ea na c - - d cp o w e r - f a c t o r c o r r e c t i o ns t a g ef o l l o w e db ya n i n v e r t e r e a c ho ft h e s es t a g e sr e q u i r e sa l li n d i v i d u a lc o n t r o lc i r c u i t c u r r e n t l y ，t h e r ei s aw i d er a n g eo fc o m m e r c i a l l ya v a l l a b l ec o n t r o li n t e g r a t e dc i r c u i t st h a ts i m p l i f yt h e d e s i g no ft h i sk i n do fs o l u t i o n s h o w e v e r ，t h e s et w o s t a g e b a s e de l e c t r o n i cb a l l a s t s p r e s e n t ah i g hn u m b e ro fc o m p o n e n t sa n dar e l a t i v e l yh i g hc o s t b a s e do nt h e i n t e g r a t i o no fah a l f - b r i d g e r e s o n a n ti n v e r t e ra n dab u c k - b o o s ta c t i v e p o w e r - f a c t o r - c o r r e c t i o nc o n v e r t e r ，as i n g l e - s t a g ee l e c t r o n i cb a l l a s t st o t a ln u m b e ro f c o m p o n e n t sh a sb e e nr e d u c e dt oam i n i m u m ，u s i n gas i n g l e - s t a g ec o m p l e xp o w e r t o p o l o g y ，h i g hp e r f o r m a n c e - t o - p r i c er a t i o ，i tw a s 谢d er e g a r d e d a n da b r o a d r e s e a r c h s i n c et h i ss i n g l e s t a g ec o m p l e xp o w e rt o p o l o g y ，t h e r e f o r et h ee l e c t r i c a ls t r e s s e s o nt h es h a r e ds 、i t c hs h o u l dw i t h s t a n dt h es a m em a x i m u mv o l t a g et h a th a dt h e b u c k - b o o s ti n p u ts t a g eo ft h eo r i g i n a lc o n v e r t e r ，a n dt h es u mo ft h ec u r r e n t st h r o u g h t h es w i t c h e so fb o t hi n p u ta n do u t p u ts t a g e s f o rt h i sr e a s o n ，ah i g hq u a l i t yc o n t r o l c i r c u i ti si m p e r a t i v e i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h em o d e lo fa na c t i v e p o w e r - f a c t o r - c o r r e c t i o ns i n g l e - s t a g ee l e c t r o n i cb a l l a s tf o rf l u o r e s c e n tl a m p s ，ah i g h i y p e r f o r m a n c ee l e c t r o n i c b a l l a s tc o n t r o lc i r c u i ti s d e s i g n e d t h e c o n t e n t so fm y d i s s e r t a t i o na r et h ef o l l o w i n g s ( i ) f i r s t l y ，d i s c u s s i o no ft h ef e a t u r e ，p e r f o r m a n c ei n d e xa n do p e r a t ep r i n c i p l eo f n o r m a lf l u o r e s c e n tl a m p ，i n d u c t i o nas i n g l e s t a g ee l e c t r o n i cb a l l a s tb a s e do nt h e i n t e g r a t i o n o fa h a l f - b r i d g e r e s o n a n ti n v e r t e ra n dab u c k - b o o s t a c t i v e p o w e r - f a c t o r - c o r r e c t i o nc o n v e r t e r a n a l y s i st h ei s s u eo f c o n t r o lc i r c u i t ( 2 ) b ya n a l y s e s t h eq u a l i f yo fc o n t r o lc i r c u i ta n di n t e g r a t e db a s e do nt h e i n t e g r a t i o n o fa h a l f - b r i d g e r e s o n a n ti n v e r t e ra n dab u c k - b o o s ta c t i v e a b s t r a c t p o w e r - f a c t o r - c o r r e c t i o nc o n v e r t e r ，w ep r e s e n t e dan e wc o n t r o lc i r c u i t ，w h i c hr o s ea n d f e l lf a s t e ra n dc o u l df a l l i n gt oz e r o t h r o u g hm e t h o da n a l y s i so nt h ec o n t r o lc i r c u i t ，t h e o u t p u tp o w e rs e n s i t i v i t yt ot h ei n p u tv o l t a g eh a sr e d u c e d ( 3 ) c o m p u t e r s i m u l a t i o n a n a l y s i s a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a ta s i n g l e s t a g ee l e c t r o n i cb a l l a s ti n t e g r a t e dw i t ht h i sc o n t r o lc i r c u i t ，t h em o ss w i t c h c o u l dp e r f o r m a n c el o n g e ra n di t st o mo na n dt u mo f f t i m e sa n ds w i t c h i n gl o s s e sc o u l d r e d u e e d t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e rp r e s e n t e da l lv a l u a b l er e f e r e n c et ot h ep r a c t i c a l i t yo f t h es i n g l e s t a g ee l e c t r o n i cb a l l a s t k e yw o r d s ：e l e c t r o n i cb a l l a s t ，s i n g l e - s t a g ep f c ，c o n t r o lc i r c u i t i i i 单级有源功率因数校正电子镇流器触发电路研究 1 1 研究内容及意义 1 1 1 研究内容 第一章绪论 本文首先介绍了荧光灯的特性和电子镇流器的相关原理，然后以l c c 串并联谐振变换电路与b u c k b o o s t 有源功率因数校正电路构成的单管荧光 灯单级电子镇流器电路为对象，通过理论与仿真分析，发现该电路存在触 发信号的波形不理想与电路的输出功率对输入电压的敏感性较大等问题。 在此基础上，给出了一种具有快速上升沿、下降沿和过零特征的新型触发 电路。同时。针对电路的输出功率对输入电压的敏感性较大的问题，先分 析问题产生的原因，再给出一种简单的方法降低敏感性，且不改变自激电 子镇流器的简单性、低价性。理论分析、计算机模拟以及实验研究证明了 本文电路的性能。 1 1 2 研究意义 目前人们已广泛采用e t 光灯照明。然而，老式的电感镇流器还在大量 使用，其工作频率为5 0 h z ，存在耗能高、效率低、体积大，需大量铜材等 缺点，不能满足节能降耗的需要。 市场上的一些电子镇流器，多数是低档电子镇流器产品，它们的可靠 性差、效率低，同时也影响灯具的发光效率，而且其产生的高次谐波对电 网的干扰也大。 研制高性能的电子镇流器，无论从社会效益，还是从经济效益方面看， 都是绿色照明产业领域的一项迫切的工作。 所谓绿色照明，是在保证和改善照明质量的前提下，节约照明用电量， 从而减少发电量，达到保护环境的目的。但仅此一点远远不够，还要考虑 改善其对电网的污染和对环境的电磁污染问题。其核心内容也是节电。一 郑州大学工学硕士论文 些专家预测，如果完全实施“绿色照明工程”计划，一方面可以改善照明 质量，另一方面可以节约5 0 的照明用电量i 1 1 。 “绿色照明工程”包括使用高效节能的电光源和高性能的电子镇流器。 节能电光源包括：l 、低压气体放电灯荧光灯、节能灯；2 、高压气体放 电灯一高压汞灯，钠灯、金属卤化物灯和氮灯等。这些节能电光源最突出 的特点是节能效果明显，节能达7 5 8 0 以上。电子镇流器是一种与气体 放电灯配套使用的新型节能电子产品，使用荧光灯电子镇流器节能效果明 显，比传统的电感式镇流器相比节能2 0 3 0 。绿色照明产业在世界范围内 的蓬勃发展，为电子镇流器的推广使用提供了良好的机遇忙】1 3 。 众所周知，荧光灯具有负阻特性，需要由镇流器来稳定其工作。用电 子镇流器取代电感镇流器，把频率从5 0 h z 提高到2 5 k h z 7 0 k h z 。从 电感式改为电子式其发光效率由4 6 5 流踢w 提高到5 5 1 流明w 。采 用电子镇流器后的电子式荧光灯比电感式荧光灯可节电3 0 左右【4 l ( 见 表1 1 ) ，其优点是显而易见的。据统计，我国照明用电占全国总用电量的 1 0 ，如果全部采用电子镇流器及高效节能荧光灯，年节电可达3 2 4 亿 度。 表1 1 不同镇流器4 0 w 荧光灯的比较 ! 塑! ! ：! ：! 竺! 堡! ! ! ! ! ! 生垒! 堡! ! 坐垒! ! ! 竺! 里! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 箜! ! 竺兰! 堡e 镇誉类皴w 孵嚣。流篙效w ，嚣翩v ，体积比较型流明( 流明 ) 电压( ) 表1 2 不同镇流器4 0 w 荧光灯的寿命试验 垒! ! ! ：! ：! 三= ! 丝兰! ! 旦受! 坐! ! 望! 望! ! ! ! 垒型! 塑! 星竺! ! ! ! ! ! ! 旦! ! ! 箜! ! 坐兰! ! e 类型 竺竺竺苎 灯管平均寿命电路功耗( w ) 娄犁灯管平均寿命电路功耗( w ) 一通断次数 。” 采用电子镇流器的另一个优点寿命长，见表1 2 。 同时应用电子镇流器也存在着一些问题，主要是： 兰丝互鎏盐至旦鏊茎匡皇王望亟登丝茎皇堕堑耋 ( 1 ) 由于电流谐波引起电网污染，破坏三相电平衡。 ( 2 ) 开关器件动作频率高，电子元件工作引起e m i e m r 辐射大，可 能干扰其他设备： ( 3 ) 随着电子元件增加，出故障的机率增加。 近年来，电子镇流器的功率因数、降低谐波含量、灯丝预热、异常 保护、抗电网尖峰、工作寿命等主要问题已获解决，并向小型化，集成 化，多功能化，多样化发展。 电子镇流器设计的一个要点是价格，原因是它必须面临市场竞争：另 一个要点是必须满足现行国内及国际标准中关于输入电流谐波限制的强 制性规定。 市场上销售的能较好的满足现行国际标准的电子镇流器通常为有源 功率因数校正电路。这种电子镇流器多为两级电路，l c c 串并联谐振变换 电路与b u c k - b o o s t 有源功率因数校正电路构成的单管荧光灯单级电子镇 流器，其特性也能较好的满足现行国际标准，且元器件数量较少价格也低， 只是还不完善。 本文对单级电子镇流器进行研究，使之更完善。 1 2 荧光灯特性 荧光灯的灯管内壁上涂有荧光粉，灯管的两端有灯丝，管内充有微 量的惰性气体( 氩气) 和微量的汞。 荧光灯属于气体放电光源的范畴，气体放电光源的伏安特性如图1 1 所示。 霓虹灯是辉光放电，荧光灯弧光放电。它们在气体放电平面分居不 同处所。它们的区别在于阴极发射电子的方式不同，从而导致电特性不 同。 图1 2 为传统荧光灯线路。当s 闭合时电源接通，起辉器内的氖气 电离，放电产生热量，使起辉器的动触片受热膨胀，与静触片接触。这 时电路电感电流较大，但起辉器内部因放电停止而冷却；被加热的灯丝 发射电子，使附近的汞蒸汽开始游离并开始气化。当动触片足够冷却而 弹离静触片时。电感电流突然中断：电感产生自感电动势，此电势如达 到6 0 0 v 以上，则可触使整个灯管内汞蒸汽游离，从而产生弧光放电， 辐射出不可见的紫外线，激发管壁的荧光粉，发出近似日光的可见光。 此时，灯管两端的阻抗从几兆降为工作值，电压与管长有关，电流由灯 郑州大学1 = 学硕t 论文 管两端的阻抗和电感器的感抗所限定。 图1 1 气体放电伏安特性 f i g 1 1v o l t a g ev s ，c u r r e n td i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c i 荧光粉辉光起辉器 l = _ i 。赤l ； 枞 瓯 灯丝1 灯管灯丝2 图1 2 传统荧光灯线路图 f i g 1 2f l u o r e s c e n tl a m pv o l t a g ev s c u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c 如果上述未达6 0 0 v ，则重复上述过程。由于这种电路中，荧光灯 中的气体随着电源频率的每一半周而重复的熄火而电离，荧光粉受激与 停激，医此灯光低频闪烁，人限虽可视物，但远不如目光下舒服。而高 频电子镇流器控制下的灯光则不同，不存在低频闪烁，被称为“绿色” 照明【”。 1 2 1 荧光灯的放电现象 荧光灯的放电形式是阴极发热后产生弧光放电。假设灯的左侧电极 作为阴极工作，在某一瞬时的轴向电位分布如图1 3 。在进行热电子发射的 阴极前面，存在十几伏的阴极位降，在阳极前面，由于空间电荷的存在， 产生阳极位降，在阳极和阴极之间为正柱区，正柱的电场强度约为l v c m 。 在正柱区内的电子，由于正柱电场面产生加速，电子在平均自由程中，和 汞原子碰撞，将动能传给汞原子，使汞原子电离和激发。在汞一氢混合气 体中，被电离和激发的主要是汞原子。氢作为缓冲气体，它的任务是调整 激动条件，即利用和电子的弹性碰撞，是电子的能量更多用于引起汞原子 的电离和激发。 单级有源功率匹f 数校正电子镇流器触发电路研究 在正柱区即所谓的等离子区中，电子和正离子的密度几乎相等。 由于正离子的质量比电子大得多，所以，正柱区电流主要是由于电子 的运动而产生。如果电流增加，。由于电子碰撞而产生的激发原子的密度也 随之增加，形成累积电离，即由于电子一激发原子的碰撞而产生的电离， 越来越增加，那么生成的电子就会倍增。因此，由于带电粒子平衡而形成 的抑制力的作用，正柱区的电位梯度则要下降。也就是说，正柱区具有随 着电流增加而引起电压下降，即所谓的负特性。灯电压 为阴极位降酢、 正柱区电压巧，与阳极位降圪之和。通常由于荧光灯的正柱区较长，所以 相对于k 来说，巧所占比例一般都比较大。正柱区为负特性，因而整个灯 电压也具有负特性，随着电流的增加，极间电压下降。 逗二二二 气f t v 。f 阳极压降- 学乡t v p k 极压降 ：v 。l， 一正柱区+ 图1 3 荧光灯瞬间工作状态 f i g 1 3f l u o r e s c e n tl a m pt r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c 1 2 2 荧光灯的发光 在正柱区，被电场加速的电子和汞原子碰撞，汞原子吸收了碰撞电子 的动能而被激发。激发原子在短时间内又回到了低能量的基态。这时原子 以辐射的形式发射出由于碰撞而吸收的能量。加速电子的能量在4 6 7 v 以 下时，电子和汞原子的碰撞为弹性碰撞，电子传递给原子的能量很小。碰 撞电子的速度达到6 6 7 v 以上时，原子从最低激发能级激发。当被激发原 子返回基态时，辐射出波长为2 5 4 n m h 和18 5 n m 的谱线，为汞的共振线，在 汞放电中是最强的谱线。当电子速度达l o 4 3 v 以上时，汞原子被电离。 两条汞共振线中，波长为1 8 5 n m 的谱线，多数自我吸收，荧光粉对它 郑州大学工学硕士论文 的灵敏度很差，只占荧光灯发光的1 0 不到。波长2 5 4 n m 的共振线，在荧 光灯发光中起着主要作用，从开始发生到最后到达管壁的荧光粉膜层要多 次的重复的发生和吸收。涂敷在管壁的荧光粉，接收共振紫外线的辐射， 发出比共振线波长更长的荧光( 斯托克斯定律) 。能量不断的变化和再分 配，使荧光灯发出荧光。 1 2 3 荧光灯的启动和运行状态 荧光灯的模型非常复杂，用简化模型来构造是很困难的。精确的动态 模型必须利用电压和电流的的波形进行精确的计算。然而，电压和电流本 身的波形也是非常复杂，并不适合进行精确的计算电路参数。有些人把电 压和电流的变化作为一种恒定响应。可是，这种模型只适合于一种通常工 作状态下的情况。用恒定电阻来分析荧光灯的运行状况会导致明显的错 误。荧光灯是一种非线性器件，恒定电阻无法反映荧光灯功率与输入电压 的准确关系。 利用万用表测量荧光灯启动时的阻值，同端的两个管脚电阻很小为 欧姆级。异端电阻近似为无穷大。 因此，荧光灯启动时的电阻很大，电压大小基本由其并联的电容决定。 电路可以简化为断路。 运行时的荧光灯，由于正柱区具有随着电流增加而引起电压下降，即 所谓的负特性。电阻值逐渐降低，稳态额定功率运行时，电阻近似为3 0 0 欧姆，该电阻的变化对主回路产生很大的影响 5 1 。 1 3 电子镇流器相关原理 1 3 1 设计指标 荧光灯电子镇流器是指安装在电网与荧光灯之间的电力电子装置。它 利用高频开关变换技术。将灯的电流限制到需要的值。荧光灯是一种气体 放电灯，在灯管内的气体放电前，荧光灯呈现高阻特性，通常近似为开路。 在起动时需要一定的时间对灯丝预热，然后用一个高电压触发，使得灯管 内的气体放电以点燃灯。最后用一个稳定的工作频率使灯工作在额定功 率，这时灯端阻抗可用一个纯电阻代替。 单级有源功率冈数校正电子镇流器触发电路研究 由于荧光灯是一种特殊的非线性负载，对其有许多特殊要求，有很多 需要考虑的问题，国内外对荧光灯电子镇流器已有许多标准，在这里列出 设计时应特别注意的一些指标。 1 功率因数( p o w e rf a c t o r ，p f ) 。一般要求p f 0 9 。 2 输入电流总谐波失真( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ，t h d ) 。般 要求t h d 2 0 - 3 0 ，而且要求三次谐波日。，= ，3 t v z t t i t 2t 3 图2 9 自激电子镇流器驱动电路波形 f i g 2 9w a v e f o r m si nt h ed r i v ec i r c u i to f s o e b 用这些简化可将l c c 串并联谐振变换电路部分和稳压管电压巧用限幅非线 性表示见图2 1 0 。在图3 9 中l c c 串并联谐振变换电路部分从电压到日光灯电 流，用传递函数g ，( j ) 表示。从栅源驱动电压互感电流f 。用传递函数g 。，( s ) 表示， 为了表示电路图2 9 的特性，使用了广义奈奎斯特判据和传递函数方法。 如果非线性元件( 菲线性限幅) 产生高次谐波，则高次谐波经过具有低通滤波 特性的l c c 串并联谐振变换电路时将被减弱，基波成分的比例会加大。因此，自 维持振荡电子镇流器的稳定性能由广义奈奎斯特判据和传递函数确定。由此得出 结论，图2 1 0 ( a ) 中的方框图可用图2 1 0 ( b ) 代替 3 2 h ”j 。 ( a ) 完整形式 ( b ) 为简化形式 图2 1 0 自激电子镇流器方框图表达式 f i g 2 1 0b l o c kd i a g r a mi n t e r p r e t a t i o no f s e l 仁o s c i l l a c i n ge l e c t r o n i cb a l l a s t 在图2 1 0 ( b ) 中，传递函数与限幅非线性的关系是 单级有源功牢冈数校正电子镇流器触发电路研究 ：4 v z 冗l z ( 2 1 8 ) 如果自维持振荡存在，它的幅值和频率可由系统特性等式描述见图2 1 0 ( b ) i + n g 0 甜产o 通过恒等变形，( 2 1 9 ) 式可写成 g ( m ) = 一万1 图2 1 1 奈奎斯特图形 f i g 2 11n y q u i s tp l o to f s o e b ( 2 1 9 ) 如果满足( 2 2 0 ) 式，那么系统是闭环的，图2 1 l 给出了自维持振荡可能的开 环g ( 甜) 和i n 特性。假定s o e b 在工作点工作，稳压管基本电流为，和频率为 础。另外假定由于一个小小的扰动，l 的幅值轻微减少且s o e b 工作点由p 点移 动到a 点，因为新的工作点被奈奎斯特曲线包围，根据广义奈奎斯特判据，会 自动回到工作点p 。见图2 1 1 所示，从以上讨论得出结论，s o e b 的工作频率会自 动稳定在p 点【3 8 1 - 4 ”。 2 4 小结 本章系统介绍了l c c 串并联谐振变换电路与b u c k 。b o o s t 有源功率因数校正电 路构成的单管荧光灯单级自激电子镇流器，分析了设计原理。通过对l c c 串并联 谐振变换电路的理论分析发现，采用l c c 串并联谐振变换电路的电子镇流器具有 稳定的性能。同时还分析了它的优点和不足之处，为后续章节的内容作了铺垫。 郑州人学t 学硕士论文 第三章新型触发电路研究 上一章系统介绍了基于l c c 串并联谐振变换电路与b u c k b o o s t 有源功率因数校 正电路构成的单管荧光灯单级自激电子镇流器电路。通过对文献【1 7 忡给出的触发 电路的分析发现，采用该触发电路的电子镇流器，开关器件q ：的触发信号相对较 差，其上升沿和下降沿变化速度缓慢，且易出现寄生振荡，电路总损耗的一半集 中在开关器件珐上，开关器件q ，的开通与关断的时间长，损耗大，寿命短。此外， 该电路的输出功率高度依赖于线路输入电压也是一个缺点。 本章先介绍了对开关器件的触发信号波形的基本要求，然后给出了一种新型 触发电路，并对该触发电路的性能作出详细分析，实验结果验证了分析的正确性。 3 1 触发信号基本要求 对于电子镇流器来说，为了减少开关器件的开关损耗，对开关器件的关断要 迅速，并要维持关断期间的漏电流近似等于零；在开通时能够迅速导通，并要维 持导通期间的管压降近似等于零。开关器件关断时的触发信号下降时间和开通时 的触发信号上升时间的快慢是决定开关器件开关损耗和电子镇流器效率的主要因 素。要缩短这两个时间，除了选择高反压、高速度、大电流开关器件以外，还要 重点改善加在开关器件栅极的触发信号l i “。 对触发信号波形的要求有以下几条： 第一，触发信号波形的上升沿一定要陡，幅度要大，尽量过驱动，以便减小 开关器件趋于导通的上升时间； 第二，触发信号要具有一定的触发功率，在维持导通期间内，要保证开关器 件处于饱和导通状态，以减小开关器件的正向导通压降，降低功率损 耗： 第三，正向触发结束时，触发信号幅度的减小一定要快，以便使开关器件能 够很快脱离饱和区，减小关闭存储时间； 第四，触发信号波形的下降沿一定要陡，幅度要大，尽量过驱动，以便减小 开关器件的关断时间m ： 第五，使开关器件的触发信号过零也很重要。 单级有源功率冈数校正电子镇流器触发电路研究 理想的触发信号波形见图3 1 ，其中图3 1 ( a ) 为触发信号不过零时的波形，图 3 1 ) 为触发信号过零时的波形，以前人们重点只考虑前四条，对于开关器件触发 信号的过零与否并不重视。但是当触发信号不过零时，开关器件内部的寄生电容 放电不充分，由主电路反馈的寄生高频振荡会使触发电路对开关器件反复触发， 从而使开关器件发热加剧。此外，开关器件触发信号的上升沿的起始阶段和下降 沿的最后阶段波形通常都较为平缓，触发信号过零可以将这两个阶段平移为负值 ( 如图3 2 所示) ，利用触发信号上升沿和下降沿较陡峭的部分触发开关器件，减小 开关器件被触发开通与关断状态的工作时间。 在以上分析的基础上，本文给出了新型的触发电路。 1 0 5 t ( a ) 触发信号不过零( b ) 触发信号过零 图3 1 理想的触发信号 f i g 3 1p e r f e c tc o n t r o ls i g n a l 逝盥 ( a ) 触发信号不过零( b ) 触发信号过零 图3 2 触发信号上升时间示意图 f i g 3 2c o n t r o ls i g n a ls k e t c hm 印o f t u r no nt i m e s 3 2 新型触发电路 3 2 1 新型触发电路分析 新型触发电路和仿真波形如图3 3 所示。 该电路仍使用一个饱和变压器从l c c 串并联谐振变换电路中获取电源，稳压管 d l ：、d l ，、绋。、d l 。、d 1 ，构成增强型稳压电路，使c 。两端的电压保持在1 3 4 v ， 对q ( ：和q ( 、，供电。当饱和变压器副边电压高于1 3 4 v 时，q 。导通，q 。：饱和导通， q ，截止，触发信号u 。为高电平；反之，q c 。与q ：截止，q ，饱和导通，触发信 号。为低电平，由于b 。、d l ，具有电压嵌位作用，使触发信号被嵌位在负 郑州大学t 学硕1 论文 0 4 v ( 驮，集电极与发射极饱和压降为0 3 v ) 。q c ：和敛，构成推挽电路。稳压管d l 。用 来消除触发信号快速上升的尖峰。 时同t l s ( a ) 触发电路 l ( b ) ( c )( d ) 图3 3 新型触发电路与仿真波形， ( a ) 触发电路；( b ) 取代稳压管d l l 的增强型稳压电路； ( c ) 饱和变压器副边电压峰值为1 8 v 时q 2 的触发信号的仿真波形；( d ) 饱和变压器副边电 压峰值为2 8 v 时q 2 的触发信号的仿真波形图 f i 酉3 c o n t r o lc i r c u i t sa n ds i m u l a t i o nw a v ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r 该触发电路的触发信号过零使开关器件内部的寄生电容放电充分，从主电路 反馈的寄生振荡被抑制；在关断期间提供负偏压，进一步提高开关器件关断的可 靠性1 4 】；触发信号过零还使触发信号上升沿和下降沿变化较快的部分被用于触发 开关器件，减小其开通与关断的时间，开关器件q 的损耗有所降低，可以选用面 积较小的散热片。开关器件q l 的损耗也有所降低，更利于长期工作。 表3 1 为两种触发电路触发信号的比较结果。在实验中使用图3 3 ( a ) 所示的触发 电路，开关器件q ，的损耗有所降低，不仅可以连续工作，而且可以选用面积较小 的散热片，此外开关器件q 的损耗也有所降低，更利于长期工作。 针对稳压管d 1 的稳压作用不强的情况，本文给出了替代稳压管日的增强型 稳压电路如图3 3 ( b ) 所示。稳压管d i ：的稳压值为1 2 v ，二极管d l ，正向导通压降 为0 7 v ，当三极管q r 。的集射极电压大于1 2 7 v 时，其集电极电流增加，集射极电 压随之减少，构成负反馈电路。该电路的稳压作用比仅采用一个稳压管的稳压作 单级有源功率冈数校正电子镇流器触发屯路研究 用强，抗干扰能力也增强。 当饱和变压器副边电压峰值从1 8 v 增加到2 8 v 时，q 。的集射极电压会基本稳 定在1 2 7 v 。仿真波形如图3 3 ( c ) + 与( d ) 所示。 表3 1 两种触发信号比较 t a b l e 3 1c o m p a r e dw i t ht w oc o n t r o lc i r c u i t 触发信号u 的触发信号的 上升沿下降沿 寄生振荡振幅 文献 1 7 l 给出的 8 0 n s 2 7 0 n s1 5 v 触发电路 本文给出的触发 7 0 n s 1 4 0 f l s 2 v 电路 采用增强型稳压电路后，电路的输出功率对输入电源电压敏感性降低，其原 因如下： 首先，当输入电压变化时，饱和变压器的占空比改变；其次，自激电子镇流 器具有稳定性能1 2 3 卜【2 习；第三，目光灯具有负阻抗效应1 2 6 h ”1 。 第二条和第三条在前面已分析过，下面具体分析第一条。 本文给出的触发电路的简化电路如图3 4 ( a ) 所示，饱和变压器从l c c 串并联 谐振变换电路的振荡电流中产生控制信号，一旦电路受激起动，振荡电流会通过 饱和变压器交替驱动开关器件q 1 与q ，自动维持振荡状态。饱和变压器采用高导 磁率的饱和磁芯，两个开关器件的控制脉冲之间的死区时间由磁芯饱和来实现。 这样触发电路可以提供一个准确控制开关器件导通时间的信号。当与饱和变压器 的一个副边相连的的二极管正向导通时，这个副边的电压被增强型稳压电路钳位 ( 增强型稳压电路用稳压管代替) 。当感应电流f 慵达到饱和值。时，电压下 降到零，f 。昭迅速上升，直到f 哟g 等于原边振荡电流f 。 如果感应电流f 。在未饱和的时间内电压k 均被增强型稳压电路嵌位，各个 开关器件的导通时间可以大致用下式来计算 z l ： ：鸩2 b - “r a z z o n e r 式中 r ：副边匝数； e 。磁芯的饱和磁通密度； a e 磁芯的有效面积，m m 2 ； ( 3 1 ) 郑州大学t 学硕 。论文 吃一增强型稳压电路的稳压值。 l 馘r r a 。j_ ：乡牲( 。嗍广么j 专，q 卜案y k 么7 j n v ( a ) 简化电路图 ( b ) 基本波形 图3 4 本文给出的触发电路的简化电路及基本波形图 f i g 3 ，4s i m p l i f i e ds c h e m a t i c sa n db a s i cw a v e f o r m s o f t h ec o n t r o lc i r c u i t sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r 当输入电源电压等于额定电压时，从图3 ( b ) 上部的波形图可以看出，感应电流 z 。昭在磁芯饱和前一瞬间达到a 点，在a 点的一瞬间，振荡电流f 。大于感应电流 l 。m a g ，这个电流差值i ：使饱和变压器磁芯迅速饱和，感应电流i m a g 达到饱和点b 。 在c 点，磁芯脱离饱和使控制信号电压攻上升。 当输入电源电压增大时，电容c 两端的电压增大，饱和变压器的副边电压增 大，由于增强型稳压电路的稳压性能强，电流i ：的变化较小，感应电流i 。增大， 占空比减小。 从图3 ( b ) 下部的波形图也可以看出，电源电压增大后，在磁芯饱和前一瞬间感 应电流l m a g 达到a 点，在a 1 点的一瞬间，振荡电流k 大于感应电流f 。，这个电 流差值f ：使饱和变压器磁芯迅速饱和，感应电流嵫达到饱和点b 。在c 1 点，磁 芯脱离饱和使触发信号电压k 上升。可以看出，当输入电源电压增大时， b u c k - b o o s t 电路的占空比减小，使输出功率保持稳定。同理，当输入电源电压减 小时，输出功率也保持稳定。 输出功率的计算式可用下式表示 2 j ： t ，2e 2 研 只：型! 型t ! ：! ( 3 2 ) 4 l 。 在这里，y 伽( 融) 是指整流后的线输入电压最大值； ，是指b u c k - b o o s 部分的电感： 6 是指一个开关周期的占空比，6 = 。厂r ； t 是指开关周期。 从式( 3 2 ) 可以看出，触发信号的占空比的平方与输出功率成正比。由于负 3 0 单级有源功率闲数校正电了镇流器触发i 乜路研究 反馈使触发信号的占空比改变，电路的输出功率基本保持不变。 在实验中使用图3 ，3 ( a ) 所示的控制电路，开关器件q 2 的损耗有所降低，不仅可 以连续工作，而且可以选用面积较小的散热片，此外开关器件伤的损耗也有所降 低，更利于长期工作。 3 2 2 设计实例 使用前面的图形和等式搭建并调试了一个实际电路，灯管选用飞利浦3 6 w 圆 形日光灯，灯具的特性总结见表3 ，2 ，电源电压为2 2 0 v 、5 0 h z 。 表3 23 6 w e 光灯高频特性 t a b l e 3 2t l e - 4 0h i g h f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s 设计原则是首先选择归一化。时间和q 参数，这些参数的选择需要考虑保证 饱和变压器工作在d c m 模式下；另一个重要方面是相位角过高会导致无功功率高， 这样会妨碍振荡部分工作和直流母线高压。通过开关器件q ，的峰值电压是输入电 压峰值与支流电压之和。这个开关器件q 上的高电压会产生高的相位角；再则是 q 值低将需要增大电感且计算特性的基本原则准确性降低。 表3 3 概括了本例中时间、q 和其他参数的值以及得出的电路值。可以看出， 直流母线电压的值选择在2 4 7 v ，则开关器件q 必须选择耐压6 0 0 v 。 饱和变压器必须满足实际可能的最多匝数和整个电路功率低的要求。饱和变 压器设计的第一步是选择稳压管电压匕。，由于这个电压用于提供开关器件栅极 触发信号，取值范围应该在1 0 1 5 v 之间( 实际选取1 2 v 稳压管) 。对于选定的磁芯 用式( 3 1 ) 中的计算方法计算出副边匝数。用这个值对饱和变压器副边饱和电流的计 算可表示为 ，删= 氏r 麓 ，3 ) 饱和变压器副边振荡电流峰值要远高于这个值，通常取5 1 0 倍( 实际选取6 倍) ， 饱和变压器原边匝数可用下式计算m n ：! 鱼! 型：丝 (3)l 4= 詈型( 3 ) 1t 刳扣k ) 郑州大学工学硕仁论文 表3 3 设计参数 直流总线电压 直流总线电压d c m 限制b u c k - b o o s t 半级电感 本例中饱和变压器磁芯选用飞利浦r c c l 0 6 4 3 e 5 ，特性见表3 4 ，表3 4 也包 括部分实验数据。 表3 4 饱和变压器参数 t a b l e 3 4c o n t r o lt r a n s f o r m sp a r a m e t e r s 3 e 5 铁芯材料特性 初磁导率最大磁通密度 饱和变压器匝数 n t i n t - - 2 7 饱和变压器估算功率消耗 1 2 w 单级有源功率围数校币电了镇流器触发电路研究 3 2 3 起动特性 基于l c c 串并联谐振变换电路的电子镇流器需要一个另外的启动电路，一个 常用的方法是在电解电容端通过一个电阻向交流电容c ，放电，这个电容通过一个 双向二极管放电，向其中一个开关器件( 本处为开关器件