CN104507245B - 临界交错反激有源箝位推挽集成灯控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种临界交错反激有源箝位推挽集成灯控制器，该控制器包括：电源Vin和带并联的高压气体放电灯回路，所述带并联的高压气体放电灯回路包括串联的自耦合变压器T3、灯和电容CS，所述灯的两端并联有电容CP；电源Vin正极到负极依次串联有变压器T1、电容C1和开关管V11；电源Vin正极到负极还依次串联有变压器T2、电容C2和主开关管V22；电容C1和开关管V11的两端并联有开关管V1，电容C2和开关管V22的两端并联有开关管V2；本发明通过两只小功率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

临界交错反激有源箝位推挽集成灯控制器
技术领域
本发明涉及一种灯控制器，具体地指一种临界交错反激有源箝位推挽集成灯控制器。
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，通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。
目前，采用单路单管实现单相较大功率的功率因数校正比较困难，采用多路交错实现大功率的功率因数校正是目前常用的有效方法之一。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临界交错反激有源箝位推挽集成灯控制器，该控制器采取两路交错集成技术既实现了功率因数校正又实现了后级功率变换。
实现本发明目的采用的技术方案是：一种临界交错反激有源箝位推挽集成灯控制器，该控制器包括：电源Vin和带并联的高压气体放电灯回路，所述带并联的高压气体放电灯回路包括串联的自耦合变压器T3、灯和电容CS，所述灯的两端并联有电容CP；
电源Vin正极到负极依次串联有变压器T1、电容C1和开关管V11；电源Vin正极到负极还依次串联有变压器T2、电容C2和主开关管V22；
自耦合变压器与电源Vin负极之间连接有电容Cd，变压器T1通过二极管D3与电容Cd串联，变压器T2通过二极管D4与电容Cd串联；
电容C1和开关管V11的两端并联有开关管V1，电容C2和开关管V22的两端并联有开关管V2；
变压器T1与灯之间连接有二极管D1，变压器T2与电容CS之间连接有二极管D2；电源Vin的负极与灯之间连接有二极管D3，电源Vin的负极与电容CS之间连接有二极管D4。
在上述技术方案中，所述二极管D1的阳极与灯连接，阴极与变压器T1连接；二极管D2的阳极与电容CS连接，阴极与变压器T2连接；二极管D3的阳极与电源Vin的负极连接，阴极与灯连接；二极管D4的阳极与电源Vin的负极连接，阴极与电容CS连接。
本发明通过高度电力电子变换器集成技术由两只主开关管、六只二极管、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，通过两只小功率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为本发明临界交错反激有源箝位推挽集成灯控制器的电路图。
图2为开关管V1，V2的驱动波形示意图。
图3为稳压工作过程的等效电路图。
图4为t1～t2期间的等效电路图。
图5为灯未启动时的负载回路电路图。
图6为启辉瞬间发生在V1导通阶段的等效电路。
图7为启辉瞬间发生在t1-t2期间的等效电路。
图8为稳态过程的仿真波形。
图9为启动过程的仿真波形。
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，本发明临界交错反激有源箝位推挽集成灯控制器包括电源Vin和带并联的高压气体放电灯回路，带并联的高压气体放电灯回路包括串联的自耦合变压器T3、灯和电容CS，灯的两端并联有电容CP。
电源Vin正极到负极依次串联有变压器T1、电容C1和开关管V11；电源Vin正极到负极还依次串联有变压器T2、电容C2和主开关管V22。
自耦合变压器与电源Vin负极之间连接有电容Cd，变压器T1通过二极管D3与电容Cd串联，变压器T2通过二极管D4与电容Cd串联。
电容C1和开关管V11的两端并联有开关管V1，电容C2和开关管V22的两端并联有开关管V2。
变压器T1与灯之间连接有二极管D1，具体地，二极管D1的阳极与灯连接，阴极连接在变压器T1与电容C1之间；变压器T2与电容CS之间连接有二极管D2，具体地，二极管D2的阳极连接在电容CS与变压器T3之间，阴极与连接在变压器T2与电容C2之间；电源Vin的负极与灯之间连接有二极管D3，具体地，二极管D3的阳极与电源Vin的负极连接，阴极与灯连接；电源Vin的负极与电容CS之间连接有二极管D4，具体地，二极管D4的阳极与电源Vin的负极连接，阴极连接在电容CS与变压器T3之间。
图2是开关管V1,V2的驱动波形。V1,V2的相位相差180°，实现两管的交错驱动。V12,V22是有源箝位开关管，它的工作原理与现有常用相同，本专利发明不作介绍。图中Lσ2是LC串联回路的谐振电感，它由自耦变压器T3耦合集成得到。
在分析系统工作过程之前，作两点说明：
(1)由V1,V2,V12,V22及T1,T2等元器件组成的有源反激变换器电路的工作原理许多文献中都有介绍，说明书中不作具体分析。本技术的发明是将该电路用于整个系统中，通过单级变换实现属系统集成发明。
(2)将Lσ2集成在自耦变压器中，作为谐振耦合的一部分，实现能量的变换，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。
发明临界交错反激有源箝位推挽集成灯控制器的工作原理分为稳压和启动两个部分。
1、稳压工作过程分析
假设：
(1)所有元器件均为理想元件；
(2)Cd足够大，工作期间Vd不变；
(3)开关器件工作频率
触发频率:
槽路稳态工作频率：
且fo1＞＞fo2 fS略大于fo1
t0-t1期间：t0之前，灯已触发，Vd稳定，CS两端初始电压为VCS(0),方向如附图3所示。
t0时刻，V1导通。等效电路如附图3所示。
V1导通，D1导通，D2,D3，D4，V2均截止，D6导通，形成四个工作回路，即输入回路，负载回路，T3的初级励磁回路和T2的能量泵出回路。输入回路由Vin,L1,V1组成，输入电流：
t1时刻，电感L1的峰值电流为：
负载回路由T3，LS，CS，R组成，回路方程为：
VS(0)—电容的初始电压
自耦变压器励磁回路由D1，Vd，V1组成。得到励磁电流：
t1时刻：
由图中的关系得到：
——变压器T1和T2的初、次级匝比。
Vd的输出电流：
id(t)＝io(t)+i2(t) (7)
流过变压器T3初级绕组电流：
i3(t)＝id2(t)-io(t) (8)
由式(3)求得负载谐振电路的电流为
wo2——负载回路的角频率，wo2＝2πfo2；
——负载回路阻抗的相位角，
t1-t2期间：t1时刻，V1关断，等效电路如附图4所示。
此时，D1截止，D4导通，根据图中各电压、电流的方向，电路三个回路在工作，即负载回路、L1能量输出回路，T3去磁回路。
负载回路中，储存在LLσ与CS中的能量通过负载R、变压器T3放电。在f＝fs条件下，使R，LS，CS电路回路阻抗呈感性，所以在t1导通时，io(t)方向不变，电流方程为：
式中IO(t1)为负载电流t＝t1时刻的值。
L1能量输出回路。V1关断后，通过变压器的耦合及同名端的关系，D5导通，存储在L1中的能量耦合传递到次级，存储在Cd中；
T3去磁回路。V1关断，存储在L3中的励磁能量耦合到L4，D5导通，励磁电流：
取对称设计：L3＝L4
∴
t2-t3期间：t2时刻，V2导通。工作过程与t0-t1期间基本对称相同。电路工作回路从图1中的左边变为右边，不再赘述。
2、启动过程分析
启动之前，Vd稳定，灯电阻R为无穷大。启动过程为滑频启动，为了满足启动要求：
(1)启动瞬间，灯两端的电压
启动频率Wp≥4Wo1，即：
(2)启动后，辉光阶段
—灯额定电流
由要求2可以得到
∴
根据要求1，设负载回路的集中电阻为r，灯未启动时的负载回路电路如图5所示。
灯启动时刻可能发生在(t0-t1)或(t2-t3)阶段；即V1或V2导通阶段，也可能发生在(t1-t2)或(t3-t4)阶段，即V1和V2都不导通阶段。
1、启辉瞬间发生在V1导通阶段
等效电路如图6所示。
启动高压只包含在负载回路中，开关管电流：
电流应力略有增加。
2、启辉瞬间发生在V1和V2都不导通期间。
设启辉瞬间发生在t1-t2期间，等效电路如图7所示。
在此期间，V1，V2电压应力分别为：
开关管电压应力没有增加。
结论：在任何时刻启辉，都不增加功率开关器件的电压(流)应力，提高了电路的可靠性，降低了控制难度。
3、设计举例
3.1基本参数
输入电压：220V±10％ 50Hz
根据上述设计公式推导得出：
按附图1(a)进行仿真。
4.2仿真结果
图8是稳态工作主要波形，图中，(a)为稳态电流波形，峰值接近13A；(b)为稳态电压波形,峰值接近160V；(c)为开关驱动波形。
由图8可以看出，仿真结果与理论分析基本吻合。
图9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9可以看出，最大启动电压达2000V以上，最大启动电流高于100A，启动功率>稳态功率。

Claims (2)

1.一种临界交错反激有源箝位推挽集成灯控制器，其特征在于，包括：电源Vin和带并联的高压气体放电灯回路，所述带并联的高压气体放电灯回路包括串联的自耦合变压器T3、灯和电容CS，所述灯的两端并联有电容CP；
电源Vin正极到负极依次串联有变压器T1、电容C1和开关管V11；电源Vin正极到负极还依次串联有变压器T2、电容C2和主开关管V22；
自耦合变压器中心抽头与电源Vin负极之间连接有电容Cd，变压器T1通过二极管D3与电容Cd串联，变压器T2通过二极管D4与电容Cd串联；
电容C1和开关管V11的两端并联有开关管V1，电容C2和开关管V22的两端并联有开关管V2；
变压器T1与灯之间连接有二极管D1，二极管D1的正极接灯，二极管D1负极接变压器T1；变压器T2与电容CS之间连接有二极管D2；二极管D2的正极接电容CS，二极管D2负极接变压器T2；电源Vin的负极与灯之间连接有二极管D3，二极管D3的正极接电源Vin的负极，二极管D3负极接灯；电源Vin的负极与电容CS之间连接有二极管D4，二极管D4的正极接电源Vin的负极，二极管D4负极接电容CS。
2.根据权利要求1所述临界交错反激有源箝位推挽集成灯控制器，其特征在于：二极管D1的阳极与灯连接，阴极与变压器T1连接；二极管D2的阳极与电容CS连接，阴极与变压器T2连接；二极管D3的阳极与电源Vin的负极连接，阴极与灯连接；二极管D4的阳极与电源Vin的负极连接，阴极与电容CS连接。
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