CN104507198A - 有源箝位正、反激推挽集成灯控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有源箝位正、反激推挽集成灯控制器，该控制器包括电源Vin，所述电源Vin正极到负极依次串联的变压器T₁、变压器T₂、电容C_C和主开关管V₂；带并联触发的高压气体放电灯的谐振回路，包括串联的自耦合变压器T₃、灯和电容C_S，所述灯并联有电容C_P；非隔离式推挽电路，包括与所述电容C_C和主开关管并联的辅助开关管V₁，自耦合变压器与电源Vin负极之间连接有电容C_d，变压器T₁通过二极管V_D3与电容C_d串联，变压器T₂通过二极管V_D4与电容C_d串联。本发明实现电路的功率因数校正、电力变换及高压触发等多种功能，通过一只小功率MOS及缓冲电容器实现变压器的磁通复位和开关器件的零电压开通，提高了系统的转换效率。

Description

有源箝位正、反激推挽集成灯控制器

技术领域

本发明涉及灯控制装置，具体地指一种有源箝位正、反激推挽集成灯控制器。

背景技术

高压气体放电照明灯及其它照明灯具是中小功率耗电设备，它要求其驱动器输入功率因数高、转换效率高、触发可靠。为了实现功率因数校正及恒流(压)变换，常采用二级或三级级联方式。但是，采用多级变换器级联，应用的开关器件多、控制、驱动电路复杂、转换效率不高。此外，为了实现高压触发，传统的触发电路多为串联电感并采取专门的触发装置实现高压触发，也有通过滑频控制方式通过串(并)联谐振槽路产生串联高压触发灯具，这些方式触发电感都串联在灯回路中，电路复杂有严格的时序要求，触发的可靠性不高；如果采取滑频谐振触发，开关器件参与高压大电流触发过程，易损坏开关器件。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种有源箝位正、反激推挽集成灯控制器，该控制器通过电力电子集成变换实现高功率因数、高转换效率、高可靠性的照明驱动。

实现本发明目的采用的技术方案是：一种有源箝位正、反激推挽集成灯控制器，该控制器包括：

正、反激有源箝位变换器，包括电源Vin，所述电源Vin正极到负极依次串联的变压器T₁、变压器T₂、电容C_C和主开关管V₂；

带并联触发的高压气体放电灯的谐振回路，包括串联的自耦合变压器T₃、灯和电容C_S，所述灯并联有电容C_P；

非隔离式推挽电路，包括与所述电容C_C和主开关管并联的辅助开关管V₁，所述辅助开关管V₁与所述自耦合变压器T₃之间连接有二极管V_D1，自耦合变压器与电源Vin负极之间连接有电容C_d，变压器T₁通过二极管V_D3与电容C_d串联，变压器T₂通过二极管V_D4与电容C_d串联，电容C_S与电源Vin负极之间连接有二极管V_D2。

在上述技术方案中，二极管V_D3的阳极和阴极分别与变压器T₁的同名端和电容C_d连接；二极管V_D4的阳极和阴极分别与变压器T₂的非同名端和电容C_d连接。

在上述技术方案中，所述二极管V_D2的阴极连接在所述自耦合变压器与电容C_S之间，所述二极管V_D2的阳极与电源Vin的负极连接。

在上述技术方案中，所述二极管V_D1的阳极与自耦合变压器连接，阴极与辅助开关管连接。

本发明通过一只主开关管、四只二极管、两个高频变压器、一个高频自耦变压器及LC谐振回路实现电路的功率因数校正、电力变换及高压触发等多种功能，通过一只小功率MOS及缓冲电容器实现变压器的磁通复位和开关器件的零电压开通，提高了系统的转换效率。

附图说明

图1为本发明有源箝位正、反激推挽集成灯控制器的电路原理图。

图2为主开关管V1和辅助开关管V2的驱动波形图。

图3为稳压过程的等效电路图。

图4为启动过程的等效电路图。

图5为稳态过程波形示意图。

图6为启动过程波形示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明有源箝位正、反激推挽集成灯控制器，该控制器包括：实现功率因数校正和能量传输的正—反激变换器、非隔离式推挽电路和带并联触发的高压气体放电灯的谐振回路，

正、反激有源箝位变换器包括电源Vin、电源Vin正极到负极依次串联的变压器T₁、变压器T₂、电容C_C和主开关管V₂。

带并联触发的高压气体放电灯的谐振回路包括串联的自耦合变压器T₃、灯和电容C_S，灯并联有电容C_P。

非隔离式推挽电路包括与电容C_C和主开关管V₂并联的辅助开关管V₁、辅助开关管V₁与自耦合变压器T₂之间连接有二极管V_D1，具体地，二极管V_D1的阳极与自耦合变压器连接，阴极与辅助开关管V₁连接。

自耦合变压器与电源Vin负极之间连接有电容C_d，变压器T1通过二极管V_D3与电容C_d串联，具体地，二极管V_D3的阳极和阴极分别与变压器T1的同名端和电容C_d连接；变压器T2通过二极管V_D4与电容Cd串联，具体地，二极管V_D4的阳极和阴极分别与变压器T2的非同名端和电容C_d连接；电容C_S与电源Vin负极之间连接有二极管V_D2，具体地，二极管V_D2的阴极连接在自耦合变压器T₃与电容C_S之间，二极管V_D2的阳极与电源Vin的负极连接。

图1中，V₁是主开关管，c为实现有源箝位的辅助开关管，L_σ2是LC串联谐振电感,它由自耦合变压器T₃耦合集成得到。由变压器T₁、T₂及V₁、V₂等元件组成的正、反激有源箝位变换器的工作原理许多文献中都有介绍，说明书中不作具体分析。该发明主要是将该电路用在整个系统中，通过单级电路实现功率因数校正与能量变换，属系统集成发明。

将磁集成自耦变压器作为推挽电路能量传输部分，实现谐振槽路的能源变换与传输，也是一种集成技术，本说明书不介绍磁路集成过程的推导及变压器绕制的安排。

如图2所示，V_1g、V_2g分别是主开关管V₁和辅助开关管V₁的驱动动波形，下面分别说明本发明系统的稳压和启动过程。

1.稳压过程分析

假设：

(1)所有元器件均为理想元件；

(2)C_d足够大，工作期间V_d不变；

(3)开关器件工作频率

触发频率: $\begin{array}{ccc}{f}_{o1}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_{\mathrm{\σ}2}{C}_{\mathrm{eq}}}}& C_{\mathrm{eq}}=\frac{C_S{C}_P}{C_S+C_P}& (C_S>>C_P)\end{array}$

槽路稳态工作频率：

且f_o1＞＞f_o2 f_S略大于f_o1

t₀-t₁期间：t₀时刻之前，灯已触发，V_d已稳定，C_S两端电压等于V_d(上正下负)，t₀时刻，V₁导通，等效电路如附图3所示。此时：V_D1导通，V₂截止，V_D2截止，V_D3导通，灯电流方向如图所示。T₁与V₁形成正激变换，T₂(L₂)作为反激储能电感元件，得到输入电流：

$i_{\mathrm{in}}\left(t\right)=i_{\mathrm{in}\min }+\frac{\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{in}}}{L_2}t---\left(1\right)$

在设计上，初级工作在断续模式(DCM)，得输入电流为：

$i_{\mathrm{in}}\left(t\right)=\frac{\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{in}}}{L_2}t---\left(2\right)$

t₁-t₂期间：t₁时刻，V₁关断，等效电路如图4所示，此时输入端由V₂与C_C组成的电路对变压器T₁进行磁复位，同时存储在L₂中的能量耦合到次级V_D2、V_D4导通，将存储的能量泵给灯回路，从t₁开始，灯回路进入自由谐振阶段。

2.启动过程分析

启动过程为滑频启动，启动时逐步上升，启动后频率稳定在f＝f_s。启动过程中C_p参与谐振，

启动瞬间启动电压：

$v_P=Q\·\frac{15}{16}{V}_d---\left(3\right)$

其中： $Q=\frac{\sqrt{\frac{l_{\mathrm{\σ}2}}{C_{\mathrm{eq}}}}}{r}$

r——线路集中电阻。

在设计上要求启动瞬间：

本发明中：Q≥20

3、主要设计公式

3.1输入参数

$\begin{array}{cc}{P}_{\mathrm{in}}=\frac{1}{2}\frac{{V_{\mathrm{in}}}^2}{2L_1{f}_s}{D}^2& P_{\mathrm{out}}=2\frac{{V_{\mathrm{in}}}^{2}r}{2L_1{f}_s}\frac{1}{\mathrm{\η}}\end{array}---\left(3.1\right)$

η-转换效率；

L₁-反激变压器的初级绕组电感；

D-占空比

输入电流

3.2最大占空比

取反激变压器和正激变压器各输出一半功率，又设T₁与T₂的初级匝数均为N₁，次级匝数均为N₂

又∵ $\left.\begin{array}{c}{I}_{L_1\max }=I_{L_{1}p}=\frac{V_{\mathrm{in}\max }{D}_{\max }}{L_1{f}_s}\\ I_{L_2\max }=I_{L_1\max }+\frac{V_d(1-D_{\max })}{L_2{f}_s}\end{array}\right\}---\left(3.3\right)$

式中：L₂-反激变换器次级绕组电感

$\begin{array}{cc}{L}_2=\frac{L_1}{n^2}& n=\frac{N_1}{N_2}\end{array}---\left(3.4\right)$

由式(3.3)和式(3.4)得到：

$D_{\max }=\frac{V_d}{L_2(n\frac{V_{\mathrm{in}\max }}{L_1}+\frac{V_d}{L_2})}=\frac{n{V}_d}{V_{\mathrm{in}\max }+n{V}_d}---\left(3.5\right)$

3.3开关器件V₁峰值电压及峰值电流

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{DS}}=n{V}_d+V_{\mathrm{in}\max }\\ I_{\mathrm{DS}\max }=I_{D5\max }+I_{\mathrm{in}\max }\\ I_{D5\max }=\frac{V_d}{L_3}{D}_{\max }T-I_{\⊗}\end{array}\right.---\left(3.6\right)$

式中：—灯电流；L₃—自耦变压器初级激励电感

3.4灯回路电压、灯电流与灯电压

V_L3,L4＝±(2V_d)  (3.7)灯稳定电流

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\⊗}\left(t\right)=\frac{V_d}{R}[(1-e^{(-{\mathrm{\ζ\ω}}_n+\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1})t})+(1-e^{(-{\mathrm{\ζ\ω}}_n-\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1})t})]\\ \mathrm{\ζ}=\frac{1}{2}{R}_{\⊗}\sqrt{\frac{C_S}{L_{\mathrm{\σ}2}}}\\ {\mathrm{\ω}}_n=\frac{1}{\sqrt{L_{\mathrm{\σ}2}{C}_S}}\end{array}\right.---\left(3.8\right)$

—灯导通后的电阻

灯启动电流

由式(3.7)—(3.9)及式(3)得到L_S与C_S的设计公式：

下面以具体的实施例来说明本发明有源箝位正、反激推挽集成灯控制器的效果，本实施例设置的具体参数如下：

输入电压：220V±10％50Hz

$\left\{\begin{array}{c}{P}_O\≥400W\\ V_d=174V\end{array}\right.$

根据上述设计公式推导得出：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{\σ}2}=56\mathrm{\μH}\\ C_S=320\mathrm{nF}\\ C_P=21\mathrm{nF}\end{array}\right.$

按照图1所示电路进行仿真，仿真结果如图5和图6所示：

图5是稳态工作主要波形，图中，(a)为稳态电流波形，峰值接近5A；(b)为稳态电压波形,峰值接近100V；(c)为开关驱动波形。

由图5可以看出，仿真结果与理论分析基本吻合。

图6是启动过程中主要波形，图中，(a)为启动电流波形；(b)为启动电压波形。

由图6可以看出，最大启动电压达2000以上，最大启动电流接近40A，启动功率>稳态功率。

Claims (4)

1.一种有源箝位正、反激推挽集成灯控制器，其特征在于，包括：

正、反激有源箝位变换器，包括电源Vin，所述电源Vin正极到负极依次串联的变压器T₁、变压器T₂、电容C_C和主开关管V₂；

带并联触发的高压气体放电灯的谐振回路，包括串联的自耦合变压器T₃、灯和电容C_S，所述灯并联有电容C_P；

非隔离式推挽电路，包括与所述电容C_C和主开关管并联的辅助开关管V₁，所述辅助开关管V₁与所述自耦合变压器T₃之间连接有二极管V_D1，自耦合变压器与电源Vin负极之间连接有电容C_d，变压器T₁通过二极管V_D3与电容C_d串联，变压器T₂通过二极管V_D4与电容C_d串联，电容C_S与电源Vin负极之间连接有二极管V_D2。

2.根据权利要求1所述有源箝位正、反激推挽集成灯控制器，其特征在于：二极管V_D3的阳极和阴极分别与变压器T₁的同名端和电容C_d连接；二极管V_D4的阳极和阴极分别与变压器T₂的非同名端和电容C_d连接。

3.根据权利要求1所述有源箝位正、反激推挽集成灯控制器，其特征在于：所述二极管V_D2的阴极连接在所述自耦合变压器与电容C_S之间，所述二极管V_D2的阳极与电源Vin的负极连接。

4.根据权利要求1所述有源箝位正、反激推挽集成灯控制器，其特征在于：所述二极管V_D1的阳极与自耦合变压器连接，阴极与辅助开关管连接。