电荷泵式电子镇流器基本电路的分析

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 0，0uaudc

(b) 模 态2：iL > 0，0uaudc

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