电荷泵式电子镇流器基本电路的分析
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PF>0.99，THD<5％，而灯电流的CF<1.6。并给出了实验结果。
关键词：电子镇流器；功率因数校正；电路
1 引言
普通电子镇流器拓扑，由带无源LC滤波器的桥式整流电路和高频逆变器组成，它已不能满足电网的严格要求，如线路输入端的功率因数要高，电网电流的THD要低等。断续升压式PWM变换器及其拓扑，可采用简单的控制电路，达到较高的功率因数，不过，它需要附加一只笨重的升压电感器，此外，开关功率管上的电压/电流应力一般也比较大。综合考虑，该电子镇流器的性能/价格比就不会太高。近年来，采用充电电容和高频交流源来进行功率因数校正（PFC）的电子镇流器成为极具吸引力的电路拓扑。因为，充电电容器按类似“电荷泵”的方式来调整输入电流的波形，这类电路，也叫做“电荷泵”功率调节器。因为在电路中，取消了升压电感器，输入端的LC滤波器的体积就大大减小了，镇流器的成本还可能降低。但是，其输入电流的THD>15％，灯电流的CF>2.4。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，这两个元件在调整输入电流波形方面起到了关键作用。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 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
图4 PFC电 路 的 理 论 波 形 1）阶段1[0～α] 在这个阶段，因为节点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="α" ω 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> <ub<udc，则二极管Dc和整流桥DB均关断。所以，输入电容Cin中没有电流通过，Cin两端上的电压uc不变化。而ua继续下降，把ub也向下拉。当ω t=α时，ub变得等于ug，此阶段结束。 2）阶段2[α～π] 在ω t=α，DB开始导通，ub被箝位到ug，使ub为恒定值。当ua继续下降时，uc必然增加。这样Cin被整流的电网电流充电。在ω t=π时，ua降至uamin，而uc则达到其最大值。 ucmax=ug－uamin （1） 3）阶段3[π～(π＋β)] 在ω t=π之后，ua从uamin开始增加，ub变得大于ug，迫使DB关断，因为ub低于udc，二极管Dc仍被阻断。同阶段1类似，电容Cin中无电流通过，uc维持不变。ua继续增加，ub继续提升，在ω t=π＋β时，此阶段结束。 4）阶段4[(π＋β)～2π] 在ω t=π＋β时，ub变得等于udc，二极管Dc开始导通，因为ub被箝位到udc，当ua继续增加时，uc必然下降。Cin的放电电流流入udc，在ω t=2π时，ua增加到uamax，而uc达到其最小值。 ucmin=ug－uamax （2） 在ω t=2π时，该电路工作又进入阶段1，重复下一个开关周期。 从上面分析可以看出，在该电路中的输入电流是断续的，它只在阶段2内有电流流过。在此阶段内，Cin上的电荷变化是： ΔQch=Cin(ucmax－ucmin) （3） 把式（1）和式（2）代入式（3），并考虑到在阶段2时 udc=ug可得到 ΔQch=Cin(ug＋2Up－udc) （4） 式中：2Up=uamax－uamin——ua的交流峰-峰值。 因为，在整个开关周期内，整流二极管只在阶段2内导通，则一个周期内的平均输入电流就等于Cin的平均充电电流，即： iin,av=fsΔQch=fsCin(ug＋2Up－udc) （5） 要使功率因数值大，就期望输入电流紧紧跟随输入电压，即： iin,av∝ug （6） 如果在设计时，使 udc=2Up=ua,max－ua,min （7） 就会有： iin,av=fsCinug∝ug （8） 这就意味着，如果满足式（7），该电路就会有良好的功率因数。这里，假定ua是正弦波形。事实上，ua可能是幅值恒定的其它任何波形。ua的直流偏置，也不是决定输入电流波形的因素。只要ua的峰-峰值（2Up）等于udc，就能保证获得良好的功率因数。 从式（5）还可看出，2Up不应小于udc，这可避免电网电压过零时，电网电流发生波形畸变。如果2Up<udc，则在ug≤|udc-2Up|时，电网电流会变成零。
2.2 输入电流波形和灯电流波形不好的原因
在实际电路中，输入电流可能畸变。这是由于Cin对逆变器电路的影响。该逆变器的工作可分为三个等效的拓扑，如图5所示。图5中R1a'是灯的等效电阻。图5表明，电容Cin在阶段1及阶段3，并不影响电路工作，但在阶段2和阶段4，Cin被接入了谐振电路。在交流等效电路中，Cin同Cr并联起来了。因此，该等效的逆变器，可近似为图6的电路。等效谐振电容值等于Cineq＋Cr（而Cb1仅仅是个隔直电容）。
(a） 阶 段1，3 (b) 阶 段2 (c) 阶 段4 图5 逆 变 器 工 作 的 三 个 子 拓 扑
转换后Cin的等效值可近似为一个可变电容Cineq，如图6所示。因为，在一个开关周期内，由Cineq泵入谐振电路中的电荷可由式（4）表示，Cineq两端上的电压变化等于2Up，则该等效的输入电容可以这样估算：
图 6 近 似 等 效 的 逆 变 器
Cineq=ΔQch/ΔU=Cin(ug＋2Up－udc)/2Up （9） 通常，在交流电网电压半周期内，2Up和udc的变化是很小的，可通过适当的设计，使udc≈2Up，总能保持住。所以式（9）可写成 Cineq≌Cin(ug/2Up)∝ug （10） 尽管式（10）从数学上讲不是严密的。但它使我们能较好地理解Cin对谐振电路的影响。一般地说，由于Cin的影响，总的谐振电容值（Cr＋Cineq）是随着电网电压ug的下降而减小，如式（10）所示。这使得高频交流电压ua的幅值在电网电压半周期内成为可变的。从而，在此半周期内，式（7）就不能成立。于是，输入电流波形畸变了，THD也升高了。因为，灯的阻抗很接近一个具有负的动态值的电阻（负阻），则灯管电压上叠加的100Hz的纹波也会在灯电流波形上引发较强的100Hz纹波。结果，灯电流的波峰比CF值也变高了。 当电网电压变低时，总的谐振电容就变小了。在轻载状态，这可能引起该逆变器的谐振频率偏移到高于开关频率，谐振电路的电流iL将会超前回路电压ut。结果，导致功率开关管MOSFET不能在零电压下开 关 （ZVS） （ 详 见3中 的 论 述 ） 。 在 高 频 工 作 时 ，MOSFET中 的 二 极 管 的 反 向 恢 复 电 流 可 能 会 损 坏MOSFET器 件 （ 详 见3中 的 例 子 ） 。 虽然，选用大的Cr（Cr》Cin）可能会降低Cin引起的影响，但谐振电感器中的电流应力仍然很高。所以，从效率和Lr的体积尺寸两者来考虑，选用大的Cr并不可取。
3 改善输入电流及灯电流波形的办法 根据式（5），要获得正弦输入电流波形，有两个途径：一是调整MOSFET管的开关频率fs，二是获得一种关系式：2Up=udc。调整fs就需要复杂的控制电路，况且，也难保证得到低的灯电流波峰比CF。因此，设法使2Up=udc，是可选择的途径。
3.1 基本的解决思路 图1基本电路的波形示于图7。由于Cin的调制作用，ua的包络线上有明显的100Hz纹波。uc的变化，也不能跟随输入电压ug。为得到良好的输入功率因数，应该滤平ua的包络。在特殊情况下，2Up总是大于udc，可以采用二极管箝位技术，来滤平ua的包络。此电路示于图8，其波形如图9所示。ua的包络被箝在udc（在这种情况下，uamax=udc，uamin=0），式（7）总能成立。可获得正弦输入电流波形。
(a) ua波 形 (b) uc波 形 图 7 基 本 电 荷 泵 电 路 中 的ua及uc波 形 （2Up>udc）
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：iL>0，0P udc> (e) 模 态5：iL< 0，0
(a) 模 态1：iL< 0，0ua<udc (b) 模 态2：iL > 0，0<ua<udc 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。
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。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，Da1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，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 S2导通，Da1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（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。
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=400μH，Cr1=1.2nF，Cin=28nF，Lr2=800μH，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，电感不应进入磁饱和）。相反，谐振电感器的Lr1体积尺寸却小得多，因为，在点灯瞬间，Lr2和Cr2之间的第二次谐振，使得ua很小。实验结果表明，所用磁材总体积从基本电路中62cm3降到新电路中的42cm3。虽然在新电路中多用了2只二极管，但新电路中，整个半导体开关器件上的电压应力却大大低于基本电路的电压应力。因而，开关器件的价格也降低了。 5 结语 基本的“电荷泵”电子镇流器电路，输入电流的THD高，灯电流的CF高，此外，在轻负载时和低的电网电压时，不易保持ZVS状态。而通过采用简单的二极管箝位技术，使输入电流的波形和灯电流的波形大大改善了，THD和CF明显地降低了。而由于引入了续流阶段，使ZVS也容易维持。此外，由于磁性元件体积的减小，半导体开关管上电压应力的减小，使新电路的成本也降低了。
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