CN106535448B - 新型高效率的高频电感电子镇流器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型高效率的高频电感电子镇流器及其实现方法，高频电感电子镇流器流器包括功率电路和控制电路，其中，所述功率电路采用两级电路拓扑，前级是功率因数校正电路，后级是半桥推挽高频逆变电路。该电子镇流器基于APFC和半桥逆变技术，其整机效率高达94％以上，甚至高达96％。该高频电感电子镇流器避免了现有电感镇流器中大电感的笨重问题，也避免了基于LCC串联谐振电路的高频电子镇流器中存在的谐振回路中电容和电感的电流、电压应力大的问题。

Description

新型高效率的高频电感电子镇流器及其工作方法

技术领域

本发明涉及用于HID灯及其它高压气体放电灯的镇流器，具体地指一种功率因数高、功率密度高、整机效率高的高频电感电子镇流器及其工作方法。

背景技术

HID灯由于显色性好、亮度高、节能效果好、透光性好等优点在照明领域得到广泛推广应用，但是为确保HID灯可靠工作，需要专用电子镇流器。但是，直到目前为止，市场上技术成熟的电子镇流器主要是两级结构和三级结构电路形式。两级结构先把输入的交流电变成直流电，再把直流电变换成交流电输出，其中，前级电路是功率因数校正电路，把输入的交流电变成直流电，主要功能是实现输入电源侧高功率因数，而后级电路是逆变电路，把直流电逆变成低频或高频交流电，输出满足HID灯照明所需要的交流电源。三级结构电路形式是在上述两级结构的前后级电路之间再加一级直流电压变换电路，实现输入和输出电压之间的匹配。由于多级电路结构形式，造成电子镇流器的电路结构复杂、成本高、效率较低，特别是效率达到92％就很困难了。目前典型的电子镇流器主要有三级电路结构的输出低频方波的电子镇流器，以及两级电路结构的基于LCC串联谐振的高频电子镇流器。

为克服现有技术的不足，本发明的发明人已申请《基于双向BUCK功率因数校正和LCC高频谐振软开关技术的单相单级HID高频电子镇流器》和《基于双向BUCK功率因数校正和LC高频谐振软开关技术的单相单级HID高频电子镇流器》两项发明专利和两项实用新型专利(专利申请号分别为：201610018774.6，201620025283.X，201610018736.0,201620026633.4)，在此基础上，经过进一步研究和改进、总结，提出了基于串联谐振和直接交交变频的单相单级高频电子镇流器的四种电路结构和实现方法，并拟申请相关专利《新型交交变频的单级高频电子镇流器及其实现方法》。

基于串联谐振的高频电子镇流器虽然有很多优点，但也存在谐振电压较高、电流较大的问题，增加了谐振回路的电压和电流应力，为此在上述研究的基础上，进一步研究并提出基于高频电感和直接交交变频的新型单级高频电感电子镇流器，并拟申请相关专利《新型交交变频的单级高频电感电子镇流器及其实现方法》。

基于交交变频的单级高频电感电子镇流器可以用于1000W等系列金卤灯照明用，具有结构简单、效率高、体积小、功率密度高、功率因数高等优点，但为了实现输入电源侧高功率因数，其高频输出电压的低频包络的最低点很低，甚至接近于零。该镇流器给高压钠灯供电时，当其高频输出电压的低频包络的最低点接近或低于高压钠灯的灯电压时，灯电流断流，高压钠灯会熄灭。为了给高压钠灯照明提供一个功率因数高的高效率的新型高频电子镇流器，在上述研究的基础上，基于APFC和半桥逆变技术，进一步研究并提出一种高功率因数、高功率密度、高效率的高频电感电子镇流器，其整机效率高达94％以上，甚至高达96％。

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新型的高功率因数、高功率密度、高效率的高频电感电子镇流器及其实现方法，该电子镇流器基于APFC和半桥逆变技术，其整机效率高达94％以上，甚至高达96％。该高频电感电子镇流器避免了现有电感镇流器中大电感的笨重问题，也避免了基于LCC串联谐振电路的高频电子镇流器中存在的谐振回路中电容和电感的电流、电压应力大的问题。

实现本发明目的采用的技术方案是一种新型高效率的高频电感电子镇流器，该镇流器包括功率电路和控制电路，其中，

所述功率电路采用两级电路拓扑，前级是功率因数校正电路(PFC)，后级是半桥推挽高频逆变电路。其中，

前级功率因数校正电路，包括：

单相整流桥，用于将单相交流电变成脉动直流；

BOOST电感，用于储能；

BOOST开关MOS管，用于对BOOST电感充放电的控制；

泵升二极管，为BOOST电感放电提供通路；以及

储能电容，用于储能，为后级电路提供电能。

后级半桥推挽高频逆变电路，包括：

半桥开关电路，用于适时控制电能的变换与传输；

串联电容，用于隔离直流和储能；

高频脉冲变压器，用于电压变换和能量传输，实现输入输出电压的匹配；以及

高频电感，用于对负载电流进行限制；

所述控制电路包括

PFC控制电路，对输入电压、输入电流、输出电压进行检测，处理，发出PFC控制信号去控制BOOST开关MOS管的开通和关断；以及

单片机或模拟控制电路，用于根据给定参考信号和反馈信号，进行信号处理，输出控制信号；

输出电压和电流取样与调理电路，用于对灯电压和灯电流进行取样、滤波、分压或放大，为单片机或模拟控制电路提供反馈信号；以及

驱动电路，用于对来自单片机或模拟控制电路的控制信号进行隔离、放大，去驱动半桥开关电路的开通和关断。

本发明还公开了上述高频电感电子镇流器的高功率因数和高效率的实现方法，该方法包括

选用合适的开关频率，选用开关速度合适的BOOST开关MOS管和泵升二极管，消除BOOST开关MOS管的关断电压尖峰，极大减小PFC电路引起的开关损耗和电磁干扰；

选用合适的高频电感，既可以实现对灯电流的限制，又可以使半桥开关电路的功率开关MOS管实现软开关，极大降低开关损耗；

选用合适型号的优质磁性材料制作合适匝比、线径的脉冲变压器，实现输入输出电压的匹配，减小高频电感的压降，降低高频电感的功率容量，从而减小电感体积和重量；

采用半桥推挽逆变电路实现高频逆变，可以进一步减小器件数量和成本。

此外，本发明新型高效率的高频电感电子镇流器的工作流程，包括：

上电

镇流器上电，辅助电源先工作，输出稳定的直流电压，供其他控制电路使用；同时输入电源经整流桥、BOOST电感和泵升二极管给储能电容缓启动充电；

PFC电路工作，输出稳定的直流电压，为后级高频逆变提供电源；

点灯

稍停几秒钟之后，单片机或模拟控制电路开始工作，控制半桥开关电路的MOS管开通和关断；点灯方式可以采用谐振点灯和外接点火器点灯；

启动

灯启动工作期间，采取恒流调频控制，灯电流稳定，灯电压逐步升高，灯功率随之增大；

照明

直到灯功率达到额定值，灯电压等于额定电压，进入恒功率调频工作。

本发明镇流器具有以下优点：

1、镇流器结构简单，器件少，体积小，结构紧凑，模块化设计，生产使用简单，控制方便；

2、采用两级功率电路拓扑，且功率开关MOS管均实现了软开关，没有关断电压尖峰，不需要缓冲吸收电路，极大减小开关损耗和电磁干扰，整机效率高；

3、电源输入侧功率因数高，满足各种有关电子镇流器的电磁兼容标准要求；

4、镇流器功率密度高达0.67MW/M³或670W/dm³；

5、镇流器效率高达94％以上,甚至高达96％；

6、技术可以移植，修改功率器件参数，可以研发系列功率容量的镇流器。

附图说明

图1为本发明高效率的高频电感电子镇流器的结构框图。

图2为本发明高效率的高频电感电子镇流器中功率电路的电路图。

图3为本发明高效率的高频电感电子镇流器的工作流程图。

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，本发明新型高效率的高频电感电子镇流器包括功率电路和控制电路，其中功率电路采用两级电路拓扑，前级电路是功率因数校正电路(PFC)1，后级电路是高频逆变电路2，前级PFC电路1包括单相整流桥3、输入电容4、BOOST电感5、BOOST开关MOS管6、泵升二极管7、储能电容8，后级高频逆变电路2包括半桥开关电路9、串联电容10、高频脉冲变压器11、高频电感12，另外还有点火电容13或外置点火器14；控制电路包括辅助电源15、PFC控制电路16、驱动电路17、给定或显示电路18、单片机或模拟控制电路19、输出电压和电流取样与调理电路20。

功率电路的电路拓扑结构如图2所示，下面对功率电路中各部分分别进行说明：

PFC电路1：完成功率因数校正功能，把输入交流电变换成直流电。为了减小功率开关管开关损耗，降低电磁干扰，通过选用合适的泵升二极管、功率开关管及其门极驱动电阻，使得BOOST开关MOS管5的关断速度低于泵升二极管6的开通速度，消除功率开关管的极间电压尖峰。其中

单相整流桥3：用于把单相交流电变成脉动直流；

BOOST电感4：用于储能；

BOOST开关MOS管5：给BOOST电感充电提供通路；

泵升二极管6：给BOOST电感放电提供通路，选用快恢复二极管；

储能电容7：用于储能，采用高频性能较好的电解电容，为后级高频逆变电路提供电能，为提高储能电容7的高频特性，与之并联一个1UF的CBB81的高压薄膜电容。

高频逆变电路2：把前级PFC电路输出的直流电逆变成高频交流电。为减少器件、减小体积、降低成本，采用半桥推挽式高频逆变电路。为减小电感的损耗，采用高频小电感，用高频脉冲变压器实现输入输出电压的匹配。为减小开关损耗和电磁干扰，电路阻抗呈弱感性，使得半桥开关电路的功率开关管实现软开关。其中

半桥开关电路9：适时控制电能的变换与传输。包括功率开关管Q1和Q2。作为开关电路，也可以采用全桥开关电路，但增加了开关管及其驱动电路；

串联电容10：用于隔直和储能，与半桥开关电路9、高频脉冲变压器11一起组成半桥推挽高频逆变电路；

高频脉冲变压器11：起到电压变换和能量传输的作用，实现输入输出电压的匹配，可以是隔离变压器，为进一步减小体积和重量，可以是非隔离的自耦变压器；

高频电感12：对负载灯电流进行限制。除了谐振点灯外，高频小电感的作用是限制灯电流，不与其他器件发生谐振，这是与其他基于LCC谐振电路的高频电子镇流器的根本区别。用一个高频小电感配合其他电子器件和电路，完成电感镇流器的功能，是一种高频电感电子镇流器，这是与其他低频方波电子镇流器和普通电感镇流器的根本区别。

本发明镇流器的点灯方式有两种，一是谐振点灯，在功率电路的输出端并联一个小容量高压电容13，利用高频电感12与高压电容13谐振产生高电压脉冲点灯；二是外置点火器点灯，与负载灯并联一个点火器14，点灯前，由于空载，电路压降很小，灯电压较高，点火器14会产生一个高电压脉冲点灯；点灯后，灯电流较大，电路压降较大，灯电压降低，点火器14不能产生高电压脉冲去点灯。

下面对控制电路中各部分分别进行说明：

辅助电源15：为PFC控制电路16、驱动电路17、给定或显示电路18、单片机或模拟控制电路19、输出电压和电流取样与调理电路20供电；

PFC控制电路16：对输入电压、输入电流、输出电压进行检测，处理，发出PFC控制信号去控制BOOST开关MOS管的开通和关断，实现输入电流跟随输入电压变化，同时维持PFC输出电压基本不变。PFC电路没有采取其他措施，仅选用合适的泵升二极管、功率开关管及其门极驱动电阻，使得BOOST开关MOS管5的关断速度低于泵升二极管6的开通速度，消除了功率开关管的极间电压尖峰，极大减小其他PFC电路引起的开关损耗和电磁干扰。

驱动电路17：对来自单片机或模拟控制电路19的控制信号进行隔离、放大，去驱动半桥开关电路9中的功率MOS管的开通和关断。

给定或显示电路18：为单片机或模拟控制电路9提供输出参考信号，并显示单片机或模拟控制电路19输出的工作状态信号。

单片机或模拟控制电路19：根据给定参考信号和反馈信号，进行信号处理，输出控制信号，经驱动电路7隔离、放大后控制半桥开关电路9中的功率MOS管的开通和关断。

输出电压和电流取样与调理电路20：对灯电压和灯电流进行取样、滤波、分压或放大，为单片机或模拟控制电路19进行输出控制提供反馈信号。

本发明镇流器的工作流程如图3所示，包括上电、点灯、启动、照明等四个阶段，详细说明如下：

(1)上电

镇流器上电，给PFC储能电容缓充电，同时辅助电源工作，稍微延时后输出电压稳定，给控制电路各部分供电。随后，PFC电路工作，输出基本稳定的直流电压，同时，单片机上电，初始化。

(2)点灯

本发明镇流器的点灯方式有两种，一是谐振点灯，在功率电路的输出端并联一个小容量高压电容13，电路工作开关频率降频扫频或定频，利用高频电感12与高压电容13(包括电路寄生电感和电容)谐振产生高电压脉冲点灯；二是外置点火器点灯，与负载灯并联接一个点火器14，点灯前，由于空载，电路压降很小，灯电压较高，点火器14会产生一个高电压脉冲点灯；点灯后，灯电流较大，电路压降较大，灯电压降低，点火器14不能产生高电压脉冲去点灯。

(3)启动

灯开始工作，采取恒流调频控制，灯电流稳定，灯电压逐步升高，灯功率随之增大。

(4)照明

直到灯功率达到额定值，灯电压等于额定电压，进入恒功率调频控制的照明阶段。

本发明镇流器具有以下优点：

1、镇流器结构简单，器件少，体积小，结构紧凑，功率密度高，模块化设计，控制方便；

2、采用两级功率电路拓扑，且功率开关MOS管均实现了软开关，没有关断电压尖峰，不需要缓冲吸收电路，极大减小开关损耗和电磁干扰，整机效率高；

3、电源输入侧功率因数高，满足各种有关电子镇流器的电磁兼容标准要求；

4、镇流器功率密度高达0.67MW/M³或670W/dm³；

5、镇流器效率高达94％以上,甚至高达96％；

6、技术可以移植，修改功率器件参数，可以研发系列功率容量的镇流器。

Claims (4)

1.一种新型高效率的高频电感电子镇流器，其特征在于：该镇流器包括功率电路和控制电路，其中，所述功率电路采用两级电路拓扑，前级是功率因数校正电路，后级是半桥推挽高频逆变电路；其中，

前级功率因数校正电路，包括：

单相整流桥，用于将单相交流电变成脉动直流；

BOOST电感，其一端与单相整流桥的正极输出端连接，用于储能；

泵升二极管，其正极与所述BOOST电感的另一端连接，为BOOST电感放电提供通路；以及

储能电容，其一端与所述泵升二极管负极连接，另一端与单相整流桥的负极输出端连接，用于储能，为后级电路提供电能；

BOOST开关MOS管，其一端连接在所述BOOST电感的另一端与泵升二极管的正极之间，另一端与单相整流桥的负极输出端连接，用于对BOOST电感充放电的控制；

后级半桥推挽高频逆变电路，包括：

半桥开关电路，包括上管Q1，下管Q2两个MOS管构成一个桥臂，上管Q1的漏极和下管Q2的源极分别接储能电容的两端，上管Q1的源极和下管Q2的漏极相连成桥臂中点输出，用于适时控制电能的变换与传输；

隔直电容，其一端与所述桥臂中点输出连接，用于隔离直流和储能；

高频脉冲变压器，其初级线圈的一端与所述隔直电容另一端连接，另一端与单相整流桥的负极输出端连接，用于电压变换和传输能量的作用，实现输入输出电压的匹配；以及

高频电感，其一端与所述高频脉冲变压器的次级线圈连接，用于对负载电流进行限制；

所述控制电路包括

PFC控制电路，与所述BOOST开关MOS管连接，对输入电压、输入电流、输出电压进行检测，处理，发出PFC控制信号去控制BOOST开关MOS管的开通和关断，所述PFC控制电路选用合适的开关频率，选用合适的泵升二极管、功率开关管及其门极驱动电阻，使得BOOST开关MOS管的关断速度低于泵升二极管的开通速度，消除功率开关管的极间电压尖峰，极大减小PFC电路引起的开关损耗和电磁干扰；以及

单片机或模拟控制电路，用于根据给定参考信号和反馈信号，进行信号处理，输出控制信号；

输出电压和电流取样与调理电路，用于对灯电压和灯电流进行取样、滤波、分压或放大，为单片机或模拟控制电路提供反馈信号；以及

驱动电路，用于对来自单片机或模拟控制电路的控制信号进行隔离、放大，去驱动半桥开关电路的开通和关断。

2.根据权利要求1所述新型高效率的高频电感电子镇流器，其特征在于：所述半桥推挽高频逆变电路由半桥开关电路、串联电容和高频脉冲变压器依次串联组合成。

3.根据权利要求1或2所述新型高效率的高频电感电子镇流器，其特征在于所述镇流器采用高频小电感扼流，且用高频脉冲变压器实现输入输出电压的匹配。

4.一种权利要求1所述高频电感电子镇流器的实现方法，其特征在于其工作流程包括上电、点灯、启动和照明四个阶段，具体包括以下步骤：

(1)上电

镇流器上电，给储能电容缓充电，同时辅助电源工作，稍微延时后输出电压稳定，给控制电路各部分供电；随后，PFC电路工作，输出基本稳定的直流电压，同时，单片机上电，初始化；

(2)点灯

本发明镇流器的点灯方式有两种，一是谐振点灯，在功率电路的输出端并联一个小容量高压电容，电路工作开关频率降频扫频或定频，利用高频电感与高压电容谐振产生高电压脉冲点灯；二是外置点火器点灯，与负载灯并联接一个点火器，点灯前，由于空载，电路压降很小，灯电压较高，点火器会产生一个高电压脉冲点灯；点灯后，灯电流较大，电路压降较大，灯电压降低，点火器不能产生高电压脉冲去点灯；

(3)启动

灯开始工作，采取恒流调频控制，灯电流稳定，灯电压逐步升高，灯功率随之增大；

(4)照明

直到灯功率达到额定值，灯电压等于额定电压，进入恒功率调频控制的照明阶段。