CN101766061B - 电子镇流器和用于驱动至少一个放电灯的方法 - Google Patents

电子镇流器和用于驱动至少一个放电灯的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于驱动至少一个放电灯的电子镇流器(10),该镇流器带有输入级(12)和输出级(14),其中输入级(12)设计为在其输出端提供用于输出级(14)的直流驱动电压,并且该镇流器带有功率因数校正装置(20),其包括:数目为n的用于功率因数校正的部分装置(20a至20c),这些部分装置彼此并联;以及控制装置(22),用于驱动数目为n的部分装置(20a至20c),其中在功率因数校正装置(20)的输出端提供的功率是当前要提供的总功率(PGes),其中要由部分装置i提供的功率是部分装置i的当前要提供的部分功率(P部分i);其中控制装置(22)设计为根据当前要提供的总功率(PGes)至少驱动第一部分装置和第二部分装置(20a至20c),使得它们的当前要提供的部分功率(P部分i)彼此不同。此外,本发明还涉及一种用于借助相应的镇流器(10)来驱动至少一个放电灯(LA)的方法。

Description

电子镇流器和用于驱动至少一个放电灯的方法
技术领域
本发明涉及一种用于驱动至少一个放电灯的电子镇流器,该镇流器带有输入级和输出级,其中输出级具有:第一输出端子和第二输出端子,用于连接至少一个放电灯;以及控制输入端,用于改变第一输出端子和第二输出端子之间提供的输出功率,其中输入级设计为在其输出端提供用于输出级的直流驱动电压并且包括:第一输入端子和第二输入端子,用于连接交流供电电压;EMV滤波器(EMV=电磁兼容);整流器,其中EMV滤波器耦合到第一输入端子和第二输入端子与整流器之间;用于为输出级提供直流驱动电压的电容器;以及功率因数校正装置,其耦合在整流器和电容器之间,其中功率因数校正装置包括数目为n的用于功率因数校正的部分装置,这些部分装置彼此并联;以及控制装置,用于驱动数目为n的部分装置,其中在功率因数校正装置的输出端提供的功率是当前要提供的总功率,其中要由部分装置i提供的功率是部分装置i的当前要提供的部分功率。此外,本发明还涉及一种用于借助这种电子镇流器来驱动至少一个放电灯的方法。
背景技术
本发明涉及可调光的电子镇流器,即如下的电子镇流器:其可以被驱动为使得由电子镇流器提供的总功率在大的范围中变化。例如,提供了一种电子镇流器,其针对要提供的300W的最大功率设计,在60%的情况下提供180W的总功率,并且在20%的情况下大约提供60W。
附件A1中的表1示出了与每个PFC级(PFC=Power FactorCorrection=功率因数校正)要提供的部分功率有关的、这种类型的电子镇流器的例如三个并联的PFC级的开关频率fPFC的变化。于是,在要提供的总功率PGes为300W的情况下(即每个PFC级提供100W),开关频率fPFC为74.6kHz。在要提供的总功率PGes为240W的情况下(即每个PFC级提供80W的部分功率),开关频率fPFC为93.2W。在要提供的总功率为120W的情况下(即每个PFC级提供40W的部分功率),开关频率fPFC已经上升到显著的186kHz。最后,在要提供的总功率为60W的情况下(即每个PFC级提供20W),开关频率fPFC甚至上升到372.9kHz。
随后的其他在表1中反映的参数涉及以下量:U电网是连接在两个输入端子之间的交流供电电压的有效值。I电网是流过输入端子的电流的有效值。I电网 max是流过输入端子的电流的最大值。Urail是在整流器的输出端提供的直流驱动电压。表1的中间块反映了涉及PFC级的变量,即涉及用于功率因数校正的部分装置的量。L是在PFC级中使用的电感的大小。IL,max是流经该电感的最大电流。T是PFC级的开关的接通时间,T是PFC级的开关的关断时间。最后,表1的最后一列说明了为了实现相应要提供的总功率多少PFC级同时工作。
为了能够满足对于电子镇流器决定性的EMV标准(在此为EN55015),需要将EMV滤波器设计为使得其对于整个功率范围有效,即对于开关频率fPFC的非常宽的范围有效。结果增加了EMV滤波器的复杂性和成本。此外,开关频率fPFC在要提供的非常小的总功率情况下显著增加,使得在此功率因数校正装置的效率以不希望的方式明显降低。
发明内容
因此本发明的任务是,改进这种类型的镇流器或者这种类型的方法,使得能够实现使用成本低廉的EMV滤波器。
该任务通过具有权利要求1所述的特征的电子镇流器和通过具有权利要求14所述的特征的方法来解决。
本发明所基于的认识是,当控制装置设计为根据当前要提供的总功率至少驱动第一和第二部分装置使得它们的当前要提供的部分功率彼此不同时,可以解决该任务。该基本思想开创了实现的不同可能性,其中未先涉及对优选实施形式的以下描述尤其是要提到两种优选的可能性,这些可能性在于:将部分装置的至少一个完全关断或者不同的部分装置针对不同的要提供的部分功率来设计。由此,至少可以保证的是,相应的部分装置可以始终在其关于开关频率fPFC以及要提供的部分功率的最佳工作点附近工作。这一方面能够实现EMV滤波器的更为有利的设计,因为部分装置的开关频率保持在明显更窄的范围中。此外,由于在其相应的最佳工作点附近工作,所以改进了功率因数校正装置在调光工作中的效率。
在一个优选的实施形式中,控制装置设计为根据当前要提供的总功率来驱动部分装置,使得仅仅数目为m的部分装置激活,以便提供当前要提供的总功率,其中适用m<=(n-1),并且n反映所有部分装置的数目。如已经提及的那样,这开创了将每个部分装置都在其最佳工作点附近驱动的可能性。由此,可以将开关频率fPFC保持在低的值。
优选的是,通过分析模拟或者数字的控制信号、特别是调光信号来确定由功率因数校正装置当前要提供的总功率。在此,特别要提及所谓的DALI信号。相应地,这种信号也输送给控制装置,该控制装置驱动功率因数校正装置的部分装置,其中这种信号通常耦合到输出级,以便在那里特别是被分析用于驱动逆变器的开关。
可替选地,可以通过分析电子镇流器中确定的电学变量、特别是通过分析在功率因数校正装置的输入端上的电压和电流、通过分析在功率因数校正装置的输出端上的电压和电流、和/或通过分析在输出级的输出端上的电压和电流来确定功率因数校正装置当前要提供的总功率。在此特别有利的是,为了其他控制目的在电子镇流器中本来就要确定这种电学变量。因此,它们可以在没有大的开销的情况下也用于确定由功率因数校正装置当前要提供的总功率。
部分装置的部分功率可以与在流过第一输入端子的电流的半波开始时的相移相关。特别优选的是,控制装置于是设计为根据当前要提供的总功率和/或活动的部分装置的数目来改变活动的部分装置之间的相移。例如,如果功率因数校正装置包括三个部分装置,它们发出相同的部分功率并以120°的相移工作,则在关断这些部分装置之一之后,在两个剩余的部分装置之间的相移设置为180°。如果部分装置针对不同的要提供的部分功率设计,则与360°除以活动的部分装置的数目不同的相移可以有利地作为。
一个特别优选的实施形式的特征在于,控制装置设计为驱动至少两个活动的部分装置,使得它们提供不同的当前的部分功率。例如,在包括三个部分装置的功率因数校正装置的情况下可以设计的是,部分装置分担要提供的总功率的50%、30%和20%。因为在此至少仅仅一个部分装置在提供小的部分功率的情况下工作,所以由此总体上可以将功率因数校正装置的效率保持在高的水平。
可替选地或者附加地,根据存在的部分装置的数目,控制装置此外可以设计为驱动至少两个活动的部分装置,使得它们提供相同的当前的部分功率。要提供的总功率例如可以已经在三个部分装置的情况下划分为40%、40%、20%。由此也可以实现比在现有技术中已知的方式更高的功率因数校正装置的效率。
此外优选的是,部分装置针对当前最大的部分功率来设计,其中用于在降低当前要提供的总功率的情况下用于关断第一部分装置或者另外的部分装置的开关阈值如下选择:
(当前要提供的总功率)/(活动的部分装置的数目-1)=因子A×(当前最大的部分功率),其中对于因子A适用:0.8≤A≤1。于是当在(通过调光)降低的情况下要提供的总功率降低,使得通过关断第一或者另外的部分装置,其余的部分装置可以在其当前最大的部分功率的80%到100%之间的范围中工作时,关断活动的部分装置之一。
与此相对可以设计的是,当部分装置针对当前最大的部分功率设计时,在当前要提供的总功率增加的情况下,用于接通另外的部分装置的开关阈值如下选择:
(当前要提供的总功率)/(活动的部分装置的数目)=因子B×(当前最大的部分功率),其中对于因子B适用:0.8≤B≤1。于是当针对当前要提供的总功率,活动的部分装置在其当前最大的部分功率的80%到100%的范围中工作时,在进一步增加当前要提供的总功率的情况下激活另外的部分装置。通过相应地选择滞后,可以禁止部分装置的持续的接通和关断。
通过最后提及的两种措施,保证了相应的部分装置始终在它们针对其设计的范围中工作。另一方面,确定了部分装置的最佳的关断或接通,使得功率因数校正装置始终以尽可能最佳的效率并且在特征在于尽可能小的开关频率fPFC的范围中工作。
此外优选的是,针对最大要提供的总功率适用:
最大要提供的总功率=因子C×(最大要提供的部分功率的和),其中对于因子C适用:0.8≤C≤1。
优选的是,每个部分装置都包括电子开关,其中控制装置设计为在不连续模式中驱动部分装置,其中控制装置设计为根据当前要提供的总功率来改变电子开关的接通时间。该措施是一种用于没有大的开销地实现本发明的基本思想的、可以特别简单地实现的可能性。在此,部分装置出于简单的原因可以相同地构建,其中关断部分装置或者驱动部分装置用于提供不同的部分功率仅仅通过不同地驱动每个部分装置的开关来实现。
在此,控制装置特别是可以设计为:当一个或者每个电子开关的接通时间降低到可预先给定的阈值之下时,将部分装置去激活(deaktivieren)。这可以通过微处理器控制特别简单地实现,其中使用了寄存器,用于确定接通时间。寄存器内容可以非常简单地与在另外的寄存器中存储的可预先给定的阈值比较。
相应地,控制装置可以设计为:当一个或者每个电子开关的接通时间上升可预先给定的阈值时,激活另外的部分开关。
其他的有利的实施形式由从属权利要求中得到。
前面参照根据本发明的电子镇流器提出的优选的实施形式以及它们的优点只要可用也相应地适用于根据本发明的方法。
附图说明
下面参照所附的附图进一步描述本发明的实施例。其中:
图1以示意图示出了根据本发明的电子镇流器的一个实施例的结构;
图2示出了针对本发明的第一实施例和现有技术的关于要提供的总功率的开关频率fPFC的比较;
图3示出了针对本发明的第二实施例和现有技术的关于要提供的总功率的开关频率fPFC的比较;
附件A1示出了针对现有技术中已知的这种类型的电子镇流器的不同的电子变量;并且
附件A2示出了针对根据本发明的电子镇流器的第一实施例和第二实施例的相应的电子变量。
具体实施方式
图1以示意图示出了根据本发明的电子镇流器10的一个实施例的结构。该电子镇流器包括输入级12以及输出级14。输出级14包括多个未示出的电子部件,其中特别是涉及逆变器以及灯电感线圈。此外,输出级包括第一输出端子A1和第二输出端子A2,用于连接放电灯LA。输入级12包括第一输入端子E1和第二输入端子E2,在其间可以连接交流供电电压U电网,特别是电网电压。随后是EMV滤波器16,在该EMV滤波器16之后是整流装置18。随后是功率因数校正装置20,其在此包括三个并联的PFC级20a至20c,它们通过控制装置22来驱动。在每个部分装置的输出端上提供部分功率P部分1至P部分3。在功率因数校正装置20的输出端上提供总功率PGes,其由部分装置20a至20c所提供的部分功率P 分1至P部分3之和形成。在功率因数校正装置20的输出端上设置的电容器C1提供所谓的中间回路电压UZW作为在输出级14上的工作直流电压。输出级14具有控制输入端St,以便根据希望来改变在第一输出端子A1和第二输出端子A2之间提供的输出功率PA。示例性示出的还有部分装置20c的结构,其中PFC级的其他实施形式同样本来就适于使用本发明。在本实施例中,PFC级包括PFC电感线圈L,电流IL流过该电感线圈。该部分装置包括开关S1以及二极管D1和电容器C2,其中该开关S1被控制装置22驱动。
针对根据本发明的电子镇流器的第一实施例,在附件A2的表2中给出了多个电子变量,它们对应于已经接合附件A1中的表1所阐述的变量。在该实施例中,部分装置20a至20c针对最大要提供的120W的部分功率P部分i来设计。为了提供300W的总功率PGes,所有三个PFC级都工作,其中由每个PFC级提供的功率为100W,参见表2的第一行。根据第二行,如在现有技术中那样,为了提供240W的总功率PGes,所有三个PFC级被驱动为使得每个PFC级都提供80W的部分功率。根据表2的第一行和第二行,开关频率fPFC因此对应于表1的第一行和第二行的开关频率fPFC。根据表2的第三行,现在为了提供240W的总功率关断一个PFC级,即仅仅还有两个PFC级工作,它们分别提供120W的部分功率P部分。在三个PFC级的工作中通过相应的PFC电感线圈L的电流的相移彼此推移120°,该相移在两个部分装置工作的情况下为180°并且通过由控制装置22的相应控制来调节。如从表2的第三行可以得到的那样,开关频率fPFC降低到62.1kHz。为了提供120W的总功率PGes,根据第四行,在激活分别提供60W的部分功率的两个PFC级的情况下实现了124.3kHz的开关频率fPFC。如果通过驱动单个的PFC级来提供120W的总功率PGes(参见表2的第五行),则开关频率fPFC降低到62.1kHz。与此相比,当在驱动三个PFC级的情况下提供60W的总功率PGes时,开关频率fPFC根据表1的第三行为186.4kHz并且由此大约为三倍。
为了提供60W的总功率PGes并且驱动仅仅一个PFC级,根据表2的第六行,可以达到124.3kHz的开关频率fPFC。在提供根据表1的第四行在驱动三个PFC级的情况下相同的总功率PGes的情况下,需要372kHz的开关频率fPFC
图2b为了说明示出了开关频率fPFC关于要提供的总功率PGes的曲线。对于第一实施例(虚线)和关联的现有技术(实线)。相应的总功率PGes和开关频率fPFC在图2a中绘出。
图2b表明,在现有技术中在要提供的总功率PGes小的情况下开关频率fPFC升高多少,而其在当前实施例中仅仅为最大124kHz。因为在本发明中最低的开关频率fPFC毕竟为大约60kHz,所以得到所需的开关频率fPFC的小的带宽,这导致极其简单的并且由此成本低廉的EMV滤波器16的设计。
在根据附件A2的表3的实施例中,部分装置20a至20c、即各PFC级设计用于提供100W的最大部分功率。为了提供300W的总功率PGes,所有三个PFC级都在工作,其中每个PFC级提供100W的部分功率,参见表3的第一行。在提供200W的总功率PGes并且根据表3的第二行驱动所有三个PFC级的情况下,得到112.0kHz的开关频率fPFC。如果相同的200W的总功率PGes通过激活仅仅两个PFC级来提供,其中每个贡献100W,参见表3的第三行,则得到仅仅74.6kHz的开关频率fPFC
在通过驱动两个PFC级使得每个PFC级贡献50W的部分功率来提供100的总功率PGes的情况下,得到149.1kHz的开关频率fPFC。如果通过仅仅激活一个PFC级来提供这一总功率PGes,参见表3的第五行,则得到仅仅74.6kHz的开关频率fPFC。为了通过激活仅仅一个PFC级来提供60W的总功率PGes,得到124.3kHz的开关频率fPFC,参见表3的第六行。
图3b示出了针对第二实施例(虚线)和相应的现有技术(实线)的、开关频率fPFC关于所提供的总功率PGes的曲线的对照。图3a给出了开关频率fPFC和要提供的总功率PGes的关联的值。又可以清楚地看出的是,在现有技术中在总功率PGes小的情况下,开关频率fPFC强烈地升高,而其在第二实施例中处于大约75kHz到150kHz之间的窗口中。该窗口虽然比第一实施例中略宽,然而第二实施例已经通过成本低廉地设计各个PFC级来实现,即在第一实施例中各PFC级针对提供120W的部分功率而设计,而在第二实施例中对于各个PFC级100W的设计足够。
在所示的实施例中,由相应的PFC级提供的功率通过改变各个PFC级的开关的接通时间T和关断时间T来进行。与两个所示的实施例无关,本发明还一同包括的是,针对不同的部分功率来设计部分装置,或者通过控制装置22、特别是通过改变相应的开关S1的接通时间和关断时间来驱动同一部分装置以提供不同的部分功率。在总功率PGes降低的情况下,当得出在关断一部分装置之后其余的部分装置能够以其大约80%至100%的最大可提供的部分功率工作时,则优选关断该部分装置。反之,在要提供的总功率PGes增大的情况下,当得出在接通部分装置之后被激活的部分装置提供其当前最大的部分功率的80%至100%时,接通该部分装置。
可以通过在控制输入端St上施加的信号或者还通过分析电子镇流器中确定的电学变量来确定功率因数校正装置当前要提供的总功率,其中这里特别是考虑在功率因数校正装置20的输入端上的电压和电流、在功率因数校正装置20的输出端上的电压和电流和/或在输出级14的输出端A1、A2上的电压。

Claims (16)

1.一种用于驱动至少一个放电灯的电子镇流器(10),该镇流器带有输入级(12)和输出级(14),其中输出级(14)具有:第一输出端子(A1)和第二输出端子(A2),用于连接至少一个放电灯(LA);以及控制输入端,用于改变第一输出端子(A1)和第二输出端子(A2)之间提供的输出功率(PA),其中输入级(12)设计为在其输出端提供用于输出级(14)的直流驱动电压并且包括:
-第一输入端子(E1)和第二输入端子(E2),用于连接交流供电电压(U电网);
-电磁兼容滤波器(16);
-整流器(18),其中电磁兼容滤波器(16)耦合在第一输入端子(E1)和第二输入端子(E2)与整流器(18)之间;
-用于为输出级(14)提供直流驱动电压的电容器(C1);以及
-功率因数校正装置(20),其耦合在整流器(18)和电容器(C1)之间,其中功率因数校正装置(20)包括数目为n的用于功率因数校正的部分装置(20a至20c),这些部分装置彼此并联;以及控制装置(22),用于驱动数目为n的部分装置(20a至20c),其中在功率因数校正装置(20)的输出端提供的功率是当前要提供的总功率(PGes),其中要由部分装置i提供的功率是部分装置i的当前要提供的部分功率(P部分i);
其特征在于,
控制装置(22)设计为根据当前要提供的总功率(PGes)至少驱动第一部分装置和第二部分装置(20a至20c),使得它们的当前要提供的部分功率(P部分i)彼此不同,以及
控制装置(22)设计为根据当前要提供的总功率(PGes)来驱动部分装置(20a至20c),使得仅仅数目为m的部分装置(20a至20c)激活,以便提供当前要提供的总功率(PGes),其中适用m≤(n-1)。
2.根据权利要求1所述的电子镇流器(10),其特征在于,通过分析模拟或者数字的控制信号来确定由功率因数校正装置(20)当前要提供的总功率(PGes)。
3.根据权利要求1所述的电子镇流器(10),其特征在于,通过分析调光信号来确定由功率因数校正装置(20)当前要提供的总功率(PGes)。
4.根据权利要求1所述的电子镇流器(10),其特征在于,通过分析在功率因数校正装置(20)的输入端上的电压和电流、通过分析在功率因数校正装置(20)的输出端上的电压和电流、和/或通过分析在输出级(14)的输出端上的电压和电流来确定功率因数校正装置(20)当前要提供的总功率(PGes)。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的电子镇流器(10),其特征在于,部分装置(20a至20c)的部分功率(P部分i)与在流过第一输入端子(E1)的电流的半波开始时的相移相关,其中控制装置(22)设计为根据当前要提供的总功率(PGes)和/或活动的部分装置(20a至20c)的数目来改变活动的部分装置(20a至20c)之间的相移。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的电子镇流器(10),其特征在于,控制装置(22)设计为驱动至少两个活动的部分装置(20a至20c),使得它们提供不同的当前的部分功率(P部分i)。
7.根据权利要求1至4中的任一项所述的电子镇流器(10),其特征在于,控制装置(22)设计为驱动至少两个活动的部分装置(20a至20c),使得它们提供相同的当前的部分功率(P部分i)。
8.根据权利要求1至4中的任一项所述的电子镇流器(10),其特征在于,部分装置(20a至20c)针对当前最大的部分功率(P部分)来设计,其中在降低当前要提供的总功率(PGes)的情况下,当下式成立时关断第一部分装置或者其他部分装置(20a至20c):
(当前要提供的总功率(PGes))/(活动的部分装置(20a至20c)的数目-1)=因子A×(当前最大的部分功率(P部分i)),其中对于因子A适用:0.8≤A≤1。
9.根据权利要求1至4中的任一项所述的电子镇流器(10),其特征在于,部分装置(20a至20c)针对当前最大的部分功率(P部分)设计,其中在当前要提供的总功率(PGes)增加的情况下,当下式成立时接通其他部分装置(20a至20c):
(当前要提供的总功率(PGes))/(活动的部分装置(20a至20c)的数目)=因子B×(当前最大的部分功率(P部分)),其中对于因子B适用:0.8≤B≤1。
10.根据权利要求8所述的电子镇流器(10),其特征在于,针对最大要提供的总功率(PGes)适用:
最大要提供的总功率(PGes)=因子C×(最大要提供的部分功率(P部分)的和),其中对于因子C适用:0.8≤C≤1。
11.根据权利要求9所述的电子镇流器(10),其特征在于,针对最大要提供的总功率(PGes)适用:
最大要提供的总功率(PGes)=因子C×(最大要提供的部分功率(P部分)的和),其中对于因子C适用:0.8≤C≤1。
12.根据权利要求1至4中的任一项所述的电子镇流器(10),其特征在于,每个部分装置(20a至20c)都包括电子开关(S1),其中控制装置(22)设计为在不连续模式中驱动部分装置(20a至20c),其中控制装置(22)设计为根据当前要提供的总功率(PGes)来改变电子开关(S1)的接通时间(T)。
13.根据权利要求12所述的电子镇流器(10),其特征在于,控制装置(22)设计为:当一个或者每个电子开关(S1)的接通时间(T)降低到可预先给定的阈值之下时,将部分装置(20a至20c)去激活
14.根据权利要求12所述的电子镇流器(10),其特征在于,控制装置(22)设计为:当一个或者每个电子开关(S1)的接通时间(T)上升到可预先给定的阈值之上时,激活其他部分开关(20a至20c)。
15.根据权利要求13所述的电子镇流器(10),其特征在于,控制装置(22)设计为:当一个或者每个电子开关(S1)的接通时间(T)上升到可预先给定的阈值之上时,激活其他部分开关(20a至20c)。
16.一种用于借助电子镇流器(10)驱动至少一个放电灯的方法,该镇流器带有输入级(12)和输出级(14),其中输出级(14)具有:第一输出端子(A1)和第二输出端子(A2),用于连接至少一个放电灯(LA);以及控制输入端,用于改变第一输出端子(A1)和第二输出端子(A2)之间提供的输出功率(PA),其中输入级(12)设计为在其输出端提供用于输出级的直流驱动电压并且包括:第一输入端子(E1)和第二输入端子(E2),用于连接交流供电电压(U电网);电磁兼容滤波器(16);整流器(18),其中电磁兼容滤波器(16)耦合在第一输入端子(E1)和第二输入端子(E2)与整流器(18)之间;用于为输出级(14)提供直流驱动电压的电容器(C1);以及功率因数校正装置(20),其耦合在整流器(18)和电容器(C1)之间,其中功率因数校正装置(20)包括数目为n的用于功率因数校正的部分装置(20a至20c),这些部分装置彼此并联;以及控制装置(22),用于驱动数目为n的部分装置(20a至20c),其中在功率因数校正装置(20)的输出端提供的功率是当前要提供的总功率(PGes),其中要由部分装置i提供的功率是部分装置i的当前要提供的部分功率(P部分i);
其特征在于,该方法包括以下步骤:
根据当前要提供的总功率(PGes)至少驱动第一部分装置和第二部分装置(20a至20c),使得它们的当前要提供的部分功率(P部分i)彼此不同,仅仅数目为m的部分装置(20a至20c)激活,以便提供当前要提供的总功率(PGes),其中适用m≤(n-1)。
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