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。
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。