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新型充電泵高功率因數(shù)電子鎮(zhèn)流器

作者: 時間:2011-05-23 來源:網(wǎng)絡 收藏

摘要:介紹一種新型充電泵高功率因數(shù)電子鎮(zhèn)流器的工作原理、電路設計方法及控制方法,實驗結(jié)果表明該電子鎮(zhèn)流器具有恒功率輸出、高功率因數(shù)及低波峰系數(shù)的優(yōu)良特性。

關(guān)鍵詞:電子鎮(zhèn)流器;諧振;頻率控制;功率因數(shù)校正


1引言

電子鎮(zhèn)流器與電感式鎮(zhèn)流器相比具有工作電壓范圍寬、重量輕、無噪音、功率因數(shù)高、功耗低及發(fā)光效率高等優(yōu)點,因而受到廣泛的歡迎。但目前國內(nèi)使用的電子鎮(zhèn)流器在性能方面還有待進一步提高。比如,如何進一步提高功率因數(shù),降低輸入端電流的總諧波含量,在寬工作電壓范圍內(nèi)如何保持恒定的燈功率,如何降低燈電流波峰系數(shù),延長燈管使用壽命。本文介紹的這種新型電子鎮(zhèn)流器在這些方面取得了新的進展,并具有電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點,達到較高的技術(shù)水平。

2充電泵電子鎮(zhèn)流器主電路工作原理

這種新型充電泵高功率因數(shù)電子鎮(zhèn)流器主電路如圖1所示。圖中Vi為工頻交流輸入電壓,Lf、Cf為高頻濾波元件。穩(wěn)態(tài)工作時,由于充電泵的作用,Cb兩端直流電壓高于全波整流電壓的峰值。又由于Lx的作用,使流過Lx的電流在每一開關(guān)周期中都是連續(xù)的。正常工作時,日光燈可用一電阻RL表示。LrCr構(gòu)成燈諧振支路,Cd相對于Cr、Cin容量較大起隔直作用。S1、S2均為雙向開關(guān)。由于開關(guān)頻率遠遠高于工頻電源頻率,可以認為在一個開關(guān)周期內(nèi)|Vi|為一恒定值。并且Cd可以認為短路??紤]到在一個開關(guān)周期內(nèi)Cb中電壓波動較小,分析時可用一恒壓源VB代替。一個開關(guān)周期可分為四個工作階段,主要工作波形如圖2所示,各階段等效電路如圖3所示,各電流正方向如圖3所示,流過Dy的電流為iy,m點的電位為Vm。

階段1[t0~t1][圖3(a)]在t0以前,S1關(guān)斷,S2導通,Dy導通,Vcin=0,Cin無儲能,ix>ir,隨著ir的上升,iy減小。在t0時刻,iy=0,Dy自然關(guān)斷,ix=ir。在t0以后,ir按正弦規(guī)律上升,ir>ix,ir與ix的差值電流對Cin充電,Vcin上升。隨Vcin上升,Vm下降,Lx兩端電壓增加,導致ix上升。在t1時刻ix=ir,Vcin達最大,此時關(guān)斷S2,進入下一工作階段。

階段2[t1~t2][圖3(b)]在t1時刻S2被關(guān)斷,


圖1新型電子鎮(zhèn)流器主電路

新型充電泵高功率因數(shù)電子鎮(zhèn)流器


圖2主要工作波形


ir流經(jīng)S1體二極管。在t1后,ix>ir,ix與ir的差值電流使電容Cin放電,Vcin下降,ir從正向下降到零。在ir流經(jīng)S1體二極管期間開通S1管,則S1具有零電壓和零電流開通特性。隨著Vcin下降,Vm上升,Lx兩端電壓下降,ix上升緩慢,ir經(jīng)零點反向后,流經(jīng)S1管,當Cin放電完畢,二極管Dy導通,ix與ir都流過Dy,Vm=VB,進入下一工作階段。

階段3[t2~t3][圖3(c)]在t2時刻,二極管Dy導通,Vm=VB,Lx兩端電壓小于零,所以ix減小,ir為反向振蕩波形,在t3時關(guān)斷S1。

階段4[t3~t4][圖3(d)]在t3時刻關(guān)斷S1,ir負電流經(jīng)S2體二極管。隨著ir負向衰減到零,ir正向通過S2。當ir增大到與ix相等時,流經(jīng)Dy電流為零,Dy自然關(guān)斷。若在S2體二極管導通時開通S2管,則S2具有零電壓零電流開通特性。這一階段工作結(jié)束后,又回到階段1。

穩(wěn)態(tài)工作時,ix在一個開關(guān)周期內(nèi)的平均值為ixav,在對每一工作階段列出狀態(tài)方程并求解之后[1],可計算出ixavixav=(ixdt)/Ts

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

2VB/(Z0ω0Ts)+P0/Vi,p〕(1)式中:ω0=1/;Z0=;

Ts=1/fs為開關(guān)周期;

ωs=2πfs;

P0為輸出功率;

Vi,p為交流輸入電壓的峰值;

Ir為ir幅值。

當滿足下列條件時Ir=(-)(2)

輸入電流與輸入電壓同相,且為正弦型,即

ixav=2|Vi|/(Z0ω0Ts)

3主電路參數(shù)設計

設燈功率P0,燈電壓有效值V0,燈電阻RL,額定


(b)t1~t2


(c)t2~t3


(d)t3~t4


圖3各工作階段等效電路


(a)t0~t1


圖4控制原理圖


工作頻率fs,預設定工作效率η,額定輸入電壓Vi。

3?1Lx和Cin的設計

在滿足式(2)條件時,瞬時輸入功率

Pi(t)=Viixav=2|Vi(t)|2/(Z0ω0Ts)

在一個工頻周期內(nèi)的平均輸入功率為

Pi=fsVi,p2/(ω0Z0)

因為P0=ηPi=ηfsVi,p2/(ω0Z0)

則Cin=P0/(ηfsVi,p2)(3)

如果ω0≈(2/3)ωs時,能較好實現(xiàn)功率因數(shù)校正[1]

則Lx=9ηVi,p2/(16π2fsP0)(4)

3?2Lr和Cr的設計

在一個開關(guān)周期內(nèi),Lr、Cr、RL支路的激勵電壓近似為方波,為簡化計算只考慮基波成份,則燈負載RL兩端電壓有效值為

V0=(5)式中:ωp=;

RL=V02/P0。

穩(wěn)態(tài)工作時,VB大于Vi,p,當Vi變化時,VB值也在變,VBmax受電解電容耐壓的限制,一般選VB=(1.1~1.2)Vi,p由LrCrRL支路可知,ir高頻正弦電流的幅值為Ir=·

由約束條件式(2)可知ir的幅值表達式為Ir=(-)

因此有·=(-)(6)

因為Z0ω0=1/Cin,把Cin的計算式(3)代入式(6)。同時考慮到前面的約定,ω0≈(2/3)ωs,取VB=1.2Vi,p,RL=V02/P0,η取為85%,并令a=ωst0,則式(6)可簡化為Cr=(7)

在額定的輸入電壓和工作頻率下,對于某一負載P0,其V0也是一定的,所以式(7)表示Cr隨a的變化特性,表1給出a變化時Cr的取值情況,此表是在fs=42kHz,Vi=220V(即Vi,p=310V),P0=40W(V0=106V)時得出的。

表1Cr隨a變化時的取值情況α/°6768707274767880
Cr/nF3.45.79.312.4162024.931.5
根據(jù)電路工作原理,Cr值不宜選太大,否則Cr中高頻電流較大,造成ir電流加大,必然使功率管電流加大,損耗也就加大。Cr選定后,根據(jù)式(5)中ωp=可計算出Lr值。

由以上方法計算出的參數(shù)還需要在實踐中作出進一步調(diào)整,以使輸入端功率因數(shù)和燈電流波峰系數(shù)都得到比較滿意的結(jié)果。

4控制電路原理簡介

為了達到減小燈電流波峰系數(shù)和輸出恒功率的目的,在控制電路中采用了燈電流反饋及調(diào)頻的控制方法,原理圖如圖4所示。

4?1控制與調(diào)節(jié)過程

電流互感器CT檢測出燈電流信號,通過D1、C1、R2對取樣信號進行包絡檢波,去除高頻成分后,再送到積分誤差A1的反相端與基準信號Vref比較。若由于某種原因,使燈電流加大,誤差A1的反相端信號加大,A1輸出端輸出電平減低,經(jīng)反向放大后,輸出電平加大,使壓控振蕩器VCO輸出頻率提高,Lr感抗增加,燈電流下降。通過此調(diào)節(jié)過程,保持了燈電流的平穩(wěn),使燈電流的波峰系數(shù)下降,同時也實現(xiàn)了恒功率輸出的目的。

4?2起動過程

起動電路由D2、D3、C3、R5構(gòu)成,開機時,由于燈電流為零,經(jīng)取樣后A1反向端為低電平,A2輸出端也為低電平。開機瞬間,C3兩端電壓為零,D2截止,D3導通,VCO輸入為高電平,VCO輸出頻率較

圖5仿真波形


(a)輸入端電流與電壓波形

電壓:80V/div電流:0.1A/div橫軸:5ms/div


(b)燈電流波形縱軸:0.2A/div橫軸:5ms/div


(c)功率管漏極電流波形縱軸:0.2A/div橫軸:10μs/div


圖6實驗波形


高,使LrCr支路失諧,隨著C3被Vcc充電,VCO輸入電壓從Vcc值逐漸下降,VCO輸入頻率也隨著下降。由于LrCr支路處于失諧狀態(tài),燈管兩端電壓達不到開啟電平使燈點亮,而是給燈絲預熱,當VCO輸出頻率下降到使燈被點燃時,燈電流加大,取樣信號也加大,經(jīng)積分誤差反相放大后,使D2導通,D3截止,起動過程結(jié)束。

4?3調(diào)光

由于采用了電流閉環(huán)控制系統(tǒng),積分誤差的基準實際上是電流基準,它決定了穩(wěn)態(tài)燈電流的大小,當調(diào)節(jié)這個基準信號時,會改變燈功率,實現(xiàn)調(diào)光。

本控制電路的輔助電源是用Lx電感的高頻能量一部分經(jīng)整流穩(wěn)壓后提供的。

5仿真和實驗結(jié)果

已知燈參數(shù),P0=40W,V0=106V[2],開關(guān)頻率設定為42kHz,取η=85%,Vi=220V,根據(jù)以上設計方法計算出下列參數(shù):Cin=12nF,Lx=2.8mH,選Cr=10nF,計算得Lr=1.7mH

主電路仿真波形如圖5所示。圖中V(10)-V(6)為Vcin波形,I(dy)為流過二極管Dy的電流波形,I(rel)為功率管漏極電流波形,I(Lx)為電網(wǎng)入端電流波形,運用pspice中的付里葉分析,輸入端電流總諧波失真為8.51%。

實驗波形如圖6所示。圖中輸入端電流與輸入端電壓同相且非常接近正弦,達到了高功率因數(shù)的目的。而燈電流波形包絡比較平坦,達到了較低波峰系數(shù)。由于功率開關(guān)S1、S2具有軟開關(guān)開通特性,并且功率管峰值電流小,所以電路效率較高,實驗中功率器件無需散熱器且溫升很低。

6結(jié)語

通過分析、仿真與實驗證實此電路具有高功率因數(shù)、恒功率、低波峰系數(shù)、高效率的優(yōu)點,并且成本低。該電路可工作于較大功率,如雙燈電路,但是,在調(diào)試中也發(fā)現(xiàn),該電路參數(shù)相互影響較大,參數(shù)調(diào)節(jié)比較復雜。

參考文獻

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

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

[2]毛興武,祝大衛(wèi).電子鎮(zhèn)流器原理與制作[M].北京:人

民郵電出版社,1999.

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