一种低频方波DC/AC变换器及其控制

摘要：提出一种低频方波输出的DC/AC变换器，作为高性能MH灯工作电源。它结合了BUCKDC/DC变换器和全桥DC/AC逆变器的特点，负载侧输出为低频方波，可有效克服MH灯声共振现象。详细分析了它的工作原理和控制方法，给出了主要参数的计算方法。与传统三级低频方波电子镇流器相比，结构简单、所用器件少、可靠性高。实验结果验证了该方案是可行的。

关键词：低频方波；DC/AC变换器；电子镇流器；MH灯

不同类型的高强度气体放电灯，在高频工作时都存在使其稳定运行的特定频率范围，超出规定的频段，高强度气体放电灯极易发生声共振现象，使灯电压和灯电弧不稳定，灯光闪烁，引起灯熄灭甚至灯管炸裂。为此，人们提出了许多消除声共振的措施，如白噪声、扩展功率频谱、灯工作频率高于发生声共振的频率等，但效果并不理想，真正有效的措施是用低频方波来驱动，其频率一般在100～500Hz。低频方波金卤灯电子镇流器通常由三级变换器组成，第一级是功率因数校正，第二级采用DCPDC变换器，第三级为低频DC/AC逆变器，这样的镇流器效率低成本高。本研究根据BUCKDC/DC变换器及低频DC/AC逆变器的原理提出了一种单级DC/AC变换器，用于取代HID灯电子镇流器的第二级和第三级，克服了声共振现象。

电路拓扑

如图1所示，VM₁～VM₄组成DC/AC全桥逆变电路，其中VM₁、VM₃为高频开关管，由PFM(脉冲频率调制)控制信号变换后驱动，VM₂、VM₄由低频互补信号驱动，D₁～D₄为VM₁～VM₄体内二极管，C₀是输出滤波电容，互感器T1有3组线圈T₁-1、T₁-2、T₁-3。T₁-1既作为限流电感L₀，又是电流互感器的初级绕组，T₁-2、T₁-3是互感器的两个次级绕组，分别用来检测流过限流电感L₀的双向电流，使电感L₀工作在临界电流工作模式。控制电压的时序如图2所示，电路有两种工作模式：模式1：VM₄导通，VM₂、VM₃关断，VM₁工作在高频PFM模式；模式2：VM₂导通，VM₁、VM₄关断，VM₃工作在高频PFM模式；模式1和模式2交替工作，实现全桥逆变，输出低频方波信号。

工作过程分析及控制

工作原理
仅分析模式1的工作情况，模式2的工作情况与之类似。

1)t₀～t₁。在t0时，VM₁、VM₄导通，VM₂、VM₃关断，V_in通过VM₁、VM₄、电感L₀向负载提供能量，同时电感L₀电流线性增加。

到t=t₁时i_L0达到最大值

2)t₁～t₂。t₁时，VM₁关断，电感L₀通过VM₄、VM₂体内二极管D₂，向负载释放能量，电感L₀两端电压为V_L0=-V₀，电感电流线性减少：

到t=t₂时，i_L0(t₂)=0，(t₀～t₁)阶段存储在电感L₀中的能量在此阶段全部转移到负载。电感工作在临界电流模式，t₂之后又重复上一个周期工作。

这个工作过程相当于BUCKDC/DC变换过程，灯两端电压为：

式中D为占空比。

模式2也是BUCKDC/DC工作过程，灯两端电压为：

控制电路
控制电路如图3所示。零电流处理器将由电流互感器检测到的电感电流进行处理，使高频PFM变换器工作在临界电流模式，即不管电感电流方向如何变化，只要当电感电流减少到零时，PFM控制器即输出高电平驱动信号使相应的功率开关管实现零电流接通。

低频方波发生器为一产生低频互补信号的脉冲发生电路，可由IR2151集成电路外加RC电路实现，低频驱动脉冲占空比为50%，其工作频率即为DC/AC变换器输出方波信号的频率，通常在100和500Hz之间。

PFM变换器通过检测和控制流过Rs的平均电流Is，使其恒定，则全桥逆变器输入功率P_in=I_sV_in恒定(V_in为PFC输出电压，基本不变)，可以近似认为输出的灯功率恒定(全桥变换器效率基本不变)，高频调制信号通过调节其占空比控制灯输出功率。组成全桥的功率开关管驱动信号由低频方波发生器和PFM变换器输出信号经逻辑变换、隔离后得到。

软开关情况
如图1，用电流互感器检测电感L₀电流i_L0，T₁-2、T₁-3分别对应模式1和模式2的电感电流，经零电流处理器进行处理，使高频PFM变换器在低频正负半波电感电流方向变化时仍能检测到电感电流的过零点。在模式1，当i_L0由正(如图1电流方向为正)降到零时，正在续流的VM₂体内二极管D₂截止，此时接通VM₁，VM₁零电流接通，同时解决了由于VM₂体内二极管D₂的反向恢复而造成桥臂直通问题，减少了开关损耗，提高电路的可靠性。在模式2，当i_L0由负变为零时，正在续流的VM₄体内二极管D₄截止，VM₃零电流接通。

参数计算

限流电感L0计算

如图1所示，电感L₀工作于临界电流模式：

设稳态时灯电流在低频半周保持不变，则有：

由式(5)、式(6)得：

式中：P₀为灯功率；V₀为灯工作电压；f_s为高频半桥工作频率。

滤波电容C₀
假设在一个开关周期内灯电流I₀不变，则当电感电流iL₀大于I₀时，滤波电容C₀充电，充电电流为i_c0=i_L0-I₀，充电电量为图2中阴影部分面积△abc。

其中(T₁，T₂)为一个开关周期内电容充电时间，对电感电流临界工作模式T₂-T₁=T_s/2。电容充电的

图4　灯电压、灯电流波形

电量产生电压纹波Δ_u0，则：

电流纹波Δ_I0为：

为使金卤灯不发生声共振，则有

实验结果

根据以上分析，设计了一台400W金卤灯电子镇流器。电路参数为：V_in=400V，L₀=260μH，高频半桥工作频率f_s=100kHz，C₀=0．82μF。图4为灯电压、灯电流波形，灯工作频率为120Hz。图5为不同灯工作频率下电弧形状，可见灯高频工作时电弧发生扭曲，有声共振发生，低频方波工作时无声共振发生。图6为灯起动过程灯功率、灯电流随灯电压变化情况。实验结果与理论分析相符。