单功率级电子镇流器主要拓扑结构分析.pdf

单功率级电子镇流器主要拓扑结构分析 王懿杰1 张相军2 王议峰3 徐殿国4 1) 哈尔滨工业大学电气学院，哈尔滨 150001 2) 哈尔滨工业大学电气工程系，哈尔滨 150001 1) Email：wangyijie1982@ 2) Email：xiangjunzh@ 摘 要 本文将主要介绍几种单功率级电子镇流器的拓扑结构，包括降压型（buck） 、升压型（boost） 、降压—升压型（buck—boost） 、反激型（flyback）单功率级电子镇流器，在此将主要分析其功率因数校正原理并比较其优缺点在本文中为便于分析比较，逆变环节全部采用具有 LCC 结构的 Class—D 半桥逆变电路 关键词 单功率级，降压，升压，降压—升压，反激 Abstract This paper will present some kinds of topologies for single- stage electronic ballast,such as single- stage electronic ballast based on topology of buck、、 boost、、 buck- boost and flyback. This paper will mainly show you the principle of operation for power- factor correction circuit，，and show its relative merits. Class- D half bridge circuit with LCC structure is chosen here in order to compare easily. Keywords single——stage, buck, boost, buck——boost, flyback 1．引言 并接在电网中使用的电子镇流器，如果功率因数 很低，就会引入很大的无功，从而无法高效利用电网， 同时由于谐波含量很大，也会污染电网，降低电网质 量。

所以在进行镇流器的设计时，必须要考虑进行功 率因数校正功率因数校正技术可分为有源功率因数 校正技术和无源功率校正技术无源功率因数校正技 术即为利用无源器件进行功率因数校正的技术，它具 有结构简单，造价低廉的优点，但其很难达到很高的 功率因数有源功率因数校正一般可分为两级和单级 式，两级式有源功率校正技术能够很好的实现功率因 数校正作用，其功率因数一般可达 0.99 以上，但其结 构复杂，成本较高而单级式虽然很难达到像双极式 一样高的功率因数，但其结构简单，成本较低，而且 能够很大程度上降低装置的 EMI，所以在近年来得到 广泛的关注 单功率级技术分为五种，为集成型单功率级功率 因数校正技术、 电压源型 charge pump 单功率级功率因 数校正技术（VS—CPPFC） 、电流源型 charge pump 单 功率级功率因数校正技术（CS—CPPFC） 、电流源电 压源混合型 charge pump 单功率级功率因数校正技术 （VSCS—CPPFC） 、连续输入电流型单功率级功率因 数校正技术（CIC—CPPFC） 本文将针对广泛应用的 集成型单功率级功率因数校正技术，详细分析在各种 拓扑结构下，其工作过程以及优缺点。

所谓集成型， 即相对于双极式 PFC 电路，PFC 电路与逆变级电路共 用一个开关管，此开关管既为 PFC 的开关管，也为逆 变半桥的一路桥臂其原理如图 1 所示 图 1 集成型单功率级技术示意图 2．拓扑分析 2.1 Buck 电路 当 buck 电路工作在 DCM 模式时，其为天然的功 率因数校正器 图 2 所示为一个 buck 电路的拓扑结构 图 iSii = OLii =图 2 buck 电路拓扑结构图 由伏秒平衡原则， 对电感上电压进行积分可得公式 （1） 2 0 001()2T Dsis ii sUUD TItdtUUTLL−==−∫（1） 式中iI ：输入平均电流；sT ：开关周期 iU ：输入电压0U ：输出电压 则如假设输出电压是恒定的，可知输入电流电压 波形如下： 中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会iUoUiIUI图 3 输入电流电压波形 则由波形可知当输入电压大于输出电压时，buck 电路正常工作当输入电压小于输出电压时，由于整 流桥二极管加有反压的原因，输入电流将为零所以 buck 电路总是存在输入电流为零的盲区而且输出电 压越高，盲区越大。

但 buck 电压也有它的优点，就是 电路的开关器件的电压和电流应力较低，而且不存在 Boost 电路的电压泵生问题， 即不需要考虑空载时的保 护电路 以下两图为双级和单级式基于 Buck 结构的电子 镇流器拓扑结构图 a)双级型 b)单级型 图 4 基于 Buck 结构的电子镇流器拓扑图 由图 a）可知，PFC 中的开关管 Q0 完全可以和半 桥逆变电路中下桥臂的开关管 Q2 合成在一起，从而 得到图 b） 由图 b）可知，由 D5、L0、C0、Q2 和谐 振腔构成了 Buck 电路当其工作在 DCM 模式时能很 好 地 起 到 功 率 因 数 校 正 的 作 用 为 满 足 IEC—1000—3—2 Class C 标准， Buck 电路的导通角要 大于 130 度，由图 3 可知，这同时也就意味着输出电 压只允许在一个很窄的范围内波动此电路的主要优 点是节约了一个开关管，同时由于是降压电路，而且 逆变电路选用的是 Class—D 半桥结构，则其电路中器 件所承受的电流以及电压应力是很低的，这大大节约 了成本所以对于中小功率，其不失为一种很好的选 择 2.2 Buck—boost 电路 如图 5 所示为 Buck—boost 的拓扑结构图。

图 5 buck—boost 电路拓扑结构图 Buck- boost 工作在 DCM 模式时， 对电感电压进行 积分，很容易得到如下关系i iU DTIL=，则知，在 DCM 状 态下，对于 Buck—boost 拓扑来说，其输入的平均电 流能很好地跟随输入电压而且对 Buck—boost 来说， 其输入是阻性的，则可达到一致的功率因数对于 Buck—boost 来说， 其主要优点是输出电压不需要很高 就可以达到功率因数矫正的目的，这样输出的 bulk 电 容不必很大但是其缺点也很明显，就是其开关器件 承受的电压应力很高，同时他也存在 Boost 电路中存 在的泵生电压问题 以下两图为双级和单级式基于 Buck—boost 结构 的电子镇流器拓扑结构图 a）双级型 b）单级型 图 6 基于 Buck—boost 结构的电子镇流器拓扑图 在图 a）中，由 L0、D5、Q0、C0 以及半桥负载 组成了 Buck—boost 电路从电路中可看到，Q0 和 Q2 完全可以和成为一个则运用集成技术，很容易使 把半桥逆变电路的下管和 PFC 的功率开关管合成为一 个，得到电路如图 b） 。

从图 b）可知，由 Q2、L0、D5、C0 以及半桥负 载仍然组成的选择 上述 buck- boost 型单功率级电子镇流器结构是十 分复杂的而且电路中的功率器件也工作在非对称的 方式而且为组成 Buck—boost 回路，需要一个额外 的快恢复二极管（D8） ，这又导致必须加另一二极管 （D7）来和集成的功率开关管串联，因为此时内部集 成的二极管已不能续流谐振腔中电流最关键的问题 是这大大破了整个电路的 ZVS 条件，大大增大了开关 损耗和传导损耗基于以上，文献【5】中提出了一种中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会对称结构的基于 Buck—boost 的单功率级电子镇流器 拓扑结构其拓扑图如图 7 图 7 对称结构 Buck—boost 单功率级电子镇流器拓扑图 由图 7 知，整个电路根据输入电压的极性分双周 控制，而且是完全对称结构，如果工作在 DCM 模式， 能够很好的实现功率因数校正作用又由于节省了半 导体器件以及可工作在 ZVS 模式下，其传导以及开关 损耗都将大大降低，所以这将是一种很有发展的拓扑 结构 2.3 Flyback 电路 对于 Flyback 来说,其工作特性和 Buck- boost 是一 样的，因为他们来源于同一种拓扑。

如下图所示其为 一个 Flyback 电路和一个带有 LCC 谐振回路的半桥逆 变电路相连如果采用集成技术，则可把 Q0、Q2 合 成为一个，其合成电路图如图 b） ，在图 b）中可看到 D7、 D8、 D9 用来形成谐振腔以及 Flyback 变换器电流 回路在此看到，如逆变电路驱动占空比选为 0.5，由 于 D7 的存在，其电压电流都将是对称的对于此电 路，如果设计合理，完全可以把光通量调整到一个合 理范围内而且对于这种结构，最大的好处莫过于可 以设计变压器的匝比来改变变换器输出的电压从而最 优化设计系统 a) 双级型 b)单级型 图 8 基于 Flyback 结构的电子镇流器拓扑图 2.4 Boost 电路 图 9 所示为 Boost 电路的拓扑结构图 iLii=oDii=图 9 Boost 电路拓扑结构图 对于 boost 电路，在 DCM 模式下，对电感两端电 压进行积分很容易得到（2） i iU DTIL= （2） 此公式意味在 DCM 模式下，Boost 是天然的功率因数 校正器 Boost 是最常见的功率因数校正器， 对于 Boost 来 说，电感位于整流桥与开关管之间，可以减小对输入 滤波器的要求，防止电网对主电路的高频瞬态冲击； 功率开关管源端对地，易于驱动，而且功率开关管与 不在主回路中，大大较小了通态损耗。

但是他的缺点 同样明显，就是存在泵升电压问题，这也就意味着当 负载开路时，必须设计相应的保护电路 图 10 所示为 Boost 型电子镇流器拓扑结构，由图 a）知，L0、Q0、D5、C0 以及半桥负载组成了 Boost 电路在此处如果把 Q0 和 Q2 集成为一个，则得到图 b）在此图中可看到，有 L0、D5、Q2、D6、C0 组成 了 Boost 结构而由于此处使用的是 Class—D 半桥结 构，则其输出电压应大于输入电压的 2 倍则电路中 的开关器件以及 Bulk 电容都将承受很大的电压应力， 无形中也增加了成本而且对于 Boost 结构，必须设 计相应的保护电路来防止负载开路时产生的泵升电压 问题对于此种结构，如进线电压为 110V，还具有一 定的操作性，但如果进线为 220V，就不是一种很好的 选择方法了 a）双级型 b）单级型 图 10 基于 Boost 结构电子镇流器拓扑图 针对于 Boost 型单功率级电子镇流器输出电压过 高问题，文献【7】提出了一种交错并联型单功率级电 子镇流器的拓扑结构如图 11 所示 中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会图 11 交错并联型单功率级电子镇流器 在此图中可看到在整流桥后， 加了两个分压电 容C1和C2，它们均可看成一个电压源，这样D5、 L0、D7、Q1、谐振腔负载以及D8、L1、Q2、D6、 谐振腔负载分别形成两路Boost电路。

这种交错并联技术能有效增加输出纹波的开关 频率，降低输出纹波的幅值，而并不增加器件的应 力，并且均分功率损耗如果设计合理，其功率因 数可达0.99以上，纹波亦可控制在10%以内 3．对比分析 在同种情况下，对于非对称结构的各种拓扑特性的比较如下表 表1 四种拓扑特性对照 拓扑 A B C D E F G H Boost 高 高 高 平均 高 平均 低 是 Flyback 一致 平均 低 平均 平均 高 低 是 Buck— b。