新型充电泵高功率因数电子镇流器

2011-05-23 12:03:29来源: 互联网

摘要:介绍一种新型充电泵高功率因数电子镇流器的工作原理、电路设计方法及控制方法,实验结果表明该电子镇流器具有恒功率输出、高功率因数及低波峰系数的优良特性。

关键词:电子镇流器;谐振;频率控制;功率因数校正


1引言

电子镇流器与电感式镇流器相比具有工作电压范围宽、重量轻、无噪音、功率因数高、功耗低及发光效率高等优点,因而受到广泛的欢迎。但目前国内使用的电子镇流器在性能方面还有待进一步提高。比如,如何进一步提高功率因数,降低输入端电流的总谐波含量,在宽工作电压范围内如何保持恒定的灯功率,如何降低灯电流波峰系数,延长灯管使用寿命。本文介绍的这种新型电子镇流器在这些方面取得了新的进展,并具有电路结构简单、成本低的优点,达到较高的技术水平。

2充电泵电子镇流器主电路工作原理

这种新型充电泵高功率因数电子镇流器主电路如图1所示。图中Vi为工频交流输入电压,Lf、Cf为高频滤波元件。稳态工作时,由于充电泵的作用,Cb两端直流电压高于全波整流电压的峰值。又由于Lx的作用,使流过Lx的电流在每一开关周期中都是连续的。正常工作时,日光灯可用一电阻RL表示。LrCr构成灯谐振支路,Cd相对于Cr、Cin容量较大起隔直作用。S1、S2均为双向开关。由于开关频率远远高于工频电源频率,可以认为在一个开关周期内|Vi|为一恒定值。并且Cd可以认为短路。考虑到在一个开关周期内Cb中电压波动较小,分析时可用一恒压源VB代替。一个开关周期可分为四个工作阶段,主要工作波形如图2所示,各阶段等效电路如图3所示,各电流正方向如图3所示,流过Dy的电流为iy,m点的电位为Vm。

阶段1[t0~t1][图3(a)]在t0以前,S1关断,S2导通,Dy导通,Vcin=0,Cin无储能,ix>ir,随着ir的上升,iy减小。在t0时刻,iy=0,Dy自然关断,ix=ir。在t0以后,ir按正弦规律上升,ir>ix,ir与ix的差值电流对Cin充电,Vcin上升。随Vcin上升,Vm下降,Lx两端电压增加,导致ix上升。在t1时刻ix=ir,Vcin达最大,此时关断S2,进入下一工作阶段。

阶段2[t1~t2][图3(b)]在t1时刻S2被关断,


图1新型电子镇流器主电路

新型充电泵高功率因数电子镇流器


图2主要工作波形


ir流经S1体二极管。在t1后,ix>ir,ix与ir的差值电流使电容Cin放电,Vcin下降,ir从正向下降到零。在ir流经S1体二极管期间开通S1管,则S1具有零电压和零电流开通特性。随着Vcin下降,Vm上升,Lx两端电压下降,ix上升缓慢,ir经零点反向后,流经S1管,当Cin放电完毕,二极管Dy导通,ix与ir都流过Dy,Vm=VB,进入下一工作阶段。

阶段3[t2~t3][图3(c)]在t2时刻,二极管Dy导通,Vm=VB,Lx两端电压小于零,所以ix减小,ir为反向振荡波形,在t3时关断S1。

阶段4[t3~t4][图3(d)]在t3时刻关断S1,ir负电流经S2体二极管。随着ir负向衰减到零,ir正向通过S2。当ir增大到与ix相等时,流经Dy电流为零,Dy自然关断。若在S2体二极管导通时开通S2管,则S2具有零电压零电流开通特性。这一阶段工作结束后,又回到阶段1。

稳态工作时,ix在一个开关周期内的平均值为ixav,在对每一工作阶段列出状态方程并求解之后[1],可计算出ixavixav=(ixdt)/Ts

=2|Vi|/(Z0ω0Ts)+〔2Irω0cos(ωst0)/(ωs+ω0)-

2VB/(Z0ω0Ts)+P0/Vi,p〕(1)式中:ω0=1/;Z0=;

Ts=1/fs为开关周期;

ωs=2πfs;

P0为输出功率;

Vi,p为交流输入电压的峰值;

Ir为ir幅值。

当满足下列条件时Ir=(-)(2)

输入电流与输入电压同相,且为正弦型,即

ixav=2|Vi|/(Z0ω0Ts)

3主电路参数设计

设灯功率P0,灯电压有效值V0,灯电阻RL,额定


(b)t1~t2


(c)t2~t3


(d)t3~t4


图3各工作阶段等效电路


(a)t0~t1


图4控制原理图


工作频率fs,预设定工作效率η,额定输入电压Vi。

3?1Lx和Cin的设计

在满足式(2)条件时,瞬时输入功率

Pi(t)=Viixav=2|Vi(t)|2/(Z0ω0Ts)

在一个工频周期内的平均输入功率为

Pi=fsVi,p2/(ω0Z0)

因为P0=ηPi=ηfsVi,p2/(ω0Z0)

则Cin=P0/(ηfsVi,p2)(3)

如果ω0≈(2/3)ωs时,能较好实现功率因数校正[1]

则Lx=9ηVi,p2/(16π2fsP0)(4)

3?2Lr和Cr的设计

在一个开关周期内,Lr、Cr、RL支路的激励电压近似为方波,为简化计算只考虑基波成份,则灯负载RL两端电压有效值为

V0=(5)式中:ωp=;

RL=V02/P0。

稳态工作时,VB大于Vi,p,当Vi变化时,VB值也在变,VBmax受电解电容耐压的限制,一般选VB=(1.1~1.2)Vi,p由LrCrRL支路可知,ir高频正弦电流的幅值为Ir=·

由约束条件式(2)可知ir的幅值表达式为Ir=(-)

因此有·=(-)(6)

因为Z0ω0=1/Cin,把Cin的计算式(3)代入式(6)。同时考虑到前面的约定,ω0≈(2/3)ωs,取VB=1.2Vi,p,RL=V02/P0,η取为85%,并令a=ωst0,则式(6)可简化为Cr=(7)

在额定的输入电压和工作频率下,对于某一负载P0,其V0也是一定的,所以式(7)表示Cr随a的变化特性,表1给出a变化时Cr的取值情况,此表是在fs=42kHz,Vi=220V(即Vi,p=310V),P0=40W(V0=106V)时得出的。

表1Cr随a变化时的取值情况α/°6768707274767880
Cr/nF3.45.79.312.4162024.931.5
根据电路工作原理,Cr值不宜选太大,否则Cr中高频电流较大,造成ir电流加大,必然使功率管电流加大,损耗也就加大。Cr选定后,根据式(5)中ωp=可计算出Lr值。

由以上方法计算出的参数还需要在实践中作出进一步调整,以使输入端功率因数和灯电流波峰系数都得到比较满意的结果。

4控制电路原理简介

为了达到减小灯电流波峰系数和输出恒功率的目的,在控制电路中采用了灯电流反馈及调频的控制方法,原理图如图4所示。

4?1控制与调节过程

电流互感器CT检测出灯电流信号,通过D1、C1、R2对取样信号进行包络检波,去除高频成分后,再送到积分误差放大器A1的反相端与基准信号Vref比较。若由于某种原因,使灯电流加大,误差放大器A1的反相端信号加大,A1输出端输出电平减低,经反向放大后,输出电平加大,使压控振荡器VCO输出频率提高,Lr感抗增加,灯电流下降。通过此调节过程,保持了灯电流的平稳,使灯电流的波峰系数下降,同时也实现了恒功率输出的目的。

4?2起动过程

起动电路由D2、D3、C3、R5构成,开机时,由于灯电流为零,经取样后A1反向端为低电平,A2输出端也为低电平。开机瞬间,C3两端电压为零,D2截止,D3导通,VCO输入为高电平,VCO输出频率较

图5仿真波形


(a)输入端电流与电压波形

电压:80V/div电流:0.1A/div横轴:5ms/div


(b)灯电流波形纵轴:0.2A/div横轴:5ms/div


(c)功率管漏极电流波形纵轴:0.2A/div横轴:10μs/div


图6实验波形


高,使LrCr支路失谐,随着C3被Vcc充电,VCO输入电压从Vcc值逐渐下降,VCO输入频率也随着下降。由于LrCr支路处于失谐状态,灯管两端电压达不到开启电平使灯点亮,而是给灯丝预热,当VCO输出频率下降到使灯被点燃时,灯电流加大,取样信号也加大,经积分误差反相放大后,使D2导通,D3截止,起动过程结束。

4?3调光

由于采用了电流闭环控制系统,积分误差放大器的基准实际上是电流基准,它决定了稳态灯电流的大小,当调节这个基准信号时,会改变灯功率,实现调光。

本控制电路的辅助电源是用Lx电感的高频能量一部分经整流稳压后提供的。

5仿真和实验结果

已知灯参数,P0=40W,V0=106V[2],开关频率设定为42kHz,取η=85%,Vi=220V,根据以上设计方法计算出下列参数:Cin=12nF,Lx=2.8mH,选Cr=10nF,计算得Lr=1.7mH

电路仿真波形如图5所示。图中V(10)-V(6)为Vcin波形,I(dy)为流过二极管Dy的电流波形,I(rel)为功率管漏极电流波形,I(Lx)为电网入端电流波形,运用pspice中的付里叶分析,输入端电流总谐波失真为8.51%。

实验波形如图6所示。图中输入端电流与输入端电压同相且非常接近正弦,达到了高功率因数的目的。而灯电流波形包络比较平坦,达到了较低波峰系数。由于功率开关S1、S2具有软开关开通特性,并且功率管峰值电流小,所以电路效率较高,实验中功率器件无需散热器且温升很低。

6结语

通过分析、仿真与实验证实此电路具有高功率因数、恒功率、低波峰系数、高效率的优点,并且成本低。该电路可工作于较大功率,如双灯电路,但是,在调试中也发现,该电路参数相互影响较大,参数调节比较复杂。

参考文献

[1]JinrongQian,F.CLee.ChargePumpPower?Factor?Correction

TechnologiesPartⅡ[J].IEEETrans.OnPowerElectronics,2000,15(1):129-139.

[2]毛兴武,祝大卫.电子镇流器原理与制作[M].北京:人

民邮电出版社,1999.

关键字:新型  充电  电子镇流器

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0523/article_9000.html
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