成果深圳會(huì)議papers

1、中國(guó)電源學(xué)會(huì)第二十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)集DCM 模式下共用電感的交錯(cuò) Buck 電路應(yīng)用于UV 燈電子鎮(zhèn)流器的研究，（北方工業(yè)大學(xué)電子信息，北京 100144）Study on DCM mode of Interleaved Buck Circuit with Single Inductor Applied to Ultraviolet Lamp Electronic BallastZHANG Wei-ping, Lin Xiao-feng, Liu Yuan-chao(College of Electronic Information Engineering, North China Univers

2、ity of Technology,100144, China)夠帶來(lái)技術(shù)、效益和環(huán)境上的多重優(yōu)勢(shì)，因而ABSTRACT: In this paper, an ultraviolet (UV) lamp electronic ballast based on interleaved Buck circuit with single inductor is presented. Compared with traditional interleaved Buck circuit, the circuit with single inductor can use one inductor less

3、 and the current stress of fly-wheel diode can be reduced by a half. The advantages of interleaved Buck circuit working under DCM are analyzed. Then, the operating principles of the circuit and the details to design it are provided. Through the simulation of the circuit in Saber and a 3kW prototype

4、of UV lamp electronic ballast, the results prove the correctness of theproposed analysis.應(yīng)用日益廣泛。UV 燈電子鎮(zhèn)流器的性能對(duì) UV 燈的工作穩(wěn)定性起到的作用。開(kāi)關(guān)變換器在輸出電流較大的應(yīng)用場(chǎng)合中，常使用交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)。采用 n 個(gè)支路的交錯(cuò)并聯(lián)電路， 在同等輸出的情況下，可以使每個(gè)支路開(kāi)關(guān)管的電流、開(kāi)關(guān)頻率僅為原輸出電流、原開(kāi)關(guān)頻率的 1/n。因而能減小開(kāi)關(guān)管和續(xù)流二極管的電流應(yīng)力，減小輸出電流紋波和降低開(kāi)關(guān)損耗，提高整機(jī)效率。此外，交錯(cuò)并聯(lián)電路的總輸出電流紋波頻率為支路的n 倍，因而能夠降低對(duì)磁性元件

5、和輸出濾波電容的要求，使磁性元件和輸出濾波電容減小，提高系統(tǒng)的功率密度1-3。大功率 UV 燈電子鎮(zhèn)流器需要變換器輸出的電流較大，采用交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)能使系統(tǒng)具有以上諸多優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于基本 Buck 變換器，相比于 CCM 模式，KEY WORDS: interleaved Buck; single inductor; DCM;ultraviolet lamp; electronic ballast摘要：提出了工作于 DCM 模式下的交錯(cuò)并聯(lián) Buck 共用一個(gè)電感的電路，并將該電路應(yīng)用于紫外線燈(UV)電子鎮(zhèn)流器。該電路不僅具有普通交錯(cuò)并聯(lián)Buck 電路的優(yōu)點(diǎn)， 而且能少用一個(gè)電感，同時(shí)支路續(xù)流二極

6、管的電流應(yīng)力也能減小一半。分析了交錯(cuò) Buck 電路工作于 DCM 模式的優(yōu)點(diǎn)， 對(duì) DCM 模式下共用單個(gè)電感的交錯(cuò) Buck 電路的工作原理進(jìn)行了分析，給出了電路的設(shè)計(jì)方法。最后，對(duì)電路進(jìn)行DCM對(duì)于模式下功率開(kāi)關(guān)管承受電流應(yīng)力較大。然而交錯(cuò) Buck 電路，兩個(gè)支路開(kāi)關(guān)管的電流應(yīng)力減半，因此即使工作在 DCM 模式，各支路電流應(yīng)力也不大。而當(dāng)交錯(cuò) Buck 電路工作于 DCM 模Saber，并通過(guò)制作一臺(tái) 3kW 的UV 燈電子鎮(zhèn)流器樣機(jī)進(jìn)行了驗(yàn)證。式，其續(xù)流二極管不反向恢復(fù)，故能有效的減：交錯(cuò)Buck；單電感；DCM；UV 燈；電子鎮(zhèn)流器1引言損耗。另外，由于 DCM 模式下交錯(cuò) Bu

7、ck電路相當(dāng)于兩個(gè)支路工作，故可以共用一個(gè)電紫外線技術(shù)，是一種應(yīng)用于印刷行業(yè)的綠感，能夠節(jié)約成本、減小體積。同時(shí)，在省去一個(gè)電感元件后，由于兩個(gè)支路上的續(xù)流二極管共同為一個(gè)電感進(jìn)行續(xù)流，因此相比于普通交錯(cuò) Buck 電路，單電感交錯(cuò) Buck 電路的各支路續(xù)流二極管的電流應(yīng)力能進(jìn)一步減半。這里設(shè)計(jì) UV 燈電子鎮(zhèn)流器，采用單電感交錯(cuò) Buck 電路，并使電路工作于DCM 模式。色技術(shù)。它利用 UV 燈通過(guò) UV 燈鎮(zhèn)流器產(chǎn)生紫外線，對(duì)紫外線輻射可材料進(jìn)行輻射，使其產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到瞬間粘合或。紫外線技術(shù)具有瞬間、持久性強(qiáng)、環(huán)保高效等優(yōu)點(diǎn)，能基金項(xiàng)目：自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51277004)；北京

8、市屬高等學(xué)校次引進(jìn)與培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目 (IDHT20130501)1668中國(guó)電源學(xué)會(huì)第二十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)集2電路原理分析DCM 模式下共用一個(gè)電感的路如圖 1 所示。階段 2（ t1 t2 ） 在t1 時(shí)刻，S1 關(guān)斷，此時(shí)S2 仍處于關(guān)斷狀態(tài)，故 D1、D2 同時(shí)導(dǎo)通，iA 迅速下降， iB 迅速上升，直到兩者相等，即iA =iB 。此后電感 L 上的電流通過(guò) D1、D2 同時(shí)續(xù)流，兩者電流下降速率相等，此時(shí)iL =iA + iB = 2iA = 2iB 。在t2 時(shí)刻， iA 、iB 同時(shí)下降為零，電感電流iL 也下降為零。階段 3（ t2 t3 ） 這一階段 D1、D2 續(xù)流完成， 電感上的

9、電流iL 保持為零， iD1 、iD 2 、iA 、iB 也保持為零，負(fù)載由電容 Co 供電。交錯(cuò)Buck 電圖 1 DCM 模式下單電感交錯(cuò) Buck 電路假定開(kāi)關(guān)管及二極管均為理想器件，電感電流近似線性變化，則工作于 DCM 模式下單電感的交錯(cuò) Buck 電路的工作波形如圖 2 所示。其中iA 、iB 分別為兩支路流入電感L 的電流波形，即圖1 中A 點(diǎn)、B 點(diǎn)的電流波形。階段 4（ t t ） 類(lèi)似于階段 1。S2 導(dǎo)通，S134關(guān)斷，D1、D2 截止，電流經(jīng) S2、L 為電容充電并為負(fù)載供能。這一階段， i =i ， i = 0 ，L 儲(chǔ)能。LBA） 類(lèi)似于階段階段5（ t t2。在t

10、時(shí)刻，454S2 關(guān)斷，此時(shí) S1 仍處于關(guān)斷狀態(tài)，故 D1、D2 同時(shí)導(dǎo)通，iB 迅速下降，iA 迅速上升，直到兩者相等， 即iA =iB 。此后 L 上的電流通過(guò) D1、D2 同時(shí)續(xù)流， 兩者電流下降速率相等，此時(shí)iL =iA + iB = 2iA = 2iB 。在t5 時(shí)刻， iA 、iB 同時(shí)下降為零，電感電流iL 也下降為零。階段6（ t5 t6 ） 類(lèi)似于階段 3。這一階段 D1、D2 續(xù)流完成，電感上的電流iL 保持為零，iD1 、iD 2 、iA 、iB 也保持為零，負(fù)載由電容 Co 供電。由以上分析可見(jiàn)，工作于 DCM 模式、共用一個(gè)電感的交錯(cuò) Buck 電路，其輸出與普通交

11、錯(cuò) Buck 電路相同，具有交錯(cuò)并聯(lián) Buck 電路的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)在省去一個(gè)電感元件后，電感的電流通過(guò)兩個(gè)二極管 D1、D2 同時(shí)續(xù)流，因此相比于普通交錯(cuò) Buck 電路，續(xù)流二極管的電流應(yīng)力能進(jìn)一步減半。圖 2 DCM 模式下單電感交錯(cuò) Buck 電路的工作波形在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，DCM 模式下電路的工作過(guò)程可分為 6 個(gè)階段，如圖 3 所示。3 電路設(shè)計(jì)3.1 電感設(shè)計(jì)交錯(cuò) Buck 電路的臨界模式定義為支路 1 續(xù)流完成后，支路 2 開(kāi)關(guān)管剛好開(kāi)始導(dǎo)通。(a) 階段 1(b) 階段 2（階段 5）(c) 階段 3（階段 6）(d) 階段 4圖 3 DCM 模式下單電感交錯(cuò) Buck 電路的

12、6 個(gè)工作階段階段 1（ t0 t1 ） S1 導(dǎo)通，S2 關(guān)斷，D1、D2 截止，電流經(jīng) S1、L 為電容 Co 充電并為負(fù)載供能。這一階段， iL =iA ， iB = 0 ，L 儲(chǔ)能。圖 4 DCM 模式下單電感交錯(cuò) Buck 電路的工作波形1669中國(guó)電源學(xué)會(huì)第二十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)集為保證電路工作于 DCM 模式，電感 L 的取值應(yīng)小于其臨界值。為了計(jì)算臨界電感值，在圖 2 中令t2 = t3 、t5 = t6 ，即電感電流下降為零后，另一支路開(kāi)關(guān)管剛好開(kāi)啟，得到的波形如圖 4 所示。因?yàn)殡娐饭ぷ饔?DCM 模式，在計(jì)算臨界電感值的過(guò)程中，可以將交錯(cuò)并聯(lián) Buck 電路視為兩個(gè)支路分別工作

13、。下面對(duì)臨界電感 Lo 的計(jì)算作具體分析。若t2 = t3 、t5 = t6 ，顯然有 D1 + D2 = 0.5 。對(duì)于其中的支路 1（S1、D1、L），有輸出濾波電容的大小決定了交錯(cuò) Buck 電路輸出電壓紋波的。工程應(yīng)用中，在設(shè)計(jì) Buck變換器的輸出濾波電容時(shí)，常常根據(jù)對(duì)穩(wěn)壓電源輸出紋波電壓DVo 的要求來(lái)決定4。由前面的分析，工作于 DCM 模式的交錯(cuò) Buck 電路，相當(dāng)于單路 Buck 電路工作于兩倍開(kāi)關(guān)頻率 2 f1 。因此也可以根據(jù)對(duì)輸出紋波電壓DVo 的要求，由式(7)來(lái)決定輸出濾波電容的最小值 Co。Vo(1 - Dmin )Co =(7)8LDV (2 f )2V -

14、Vo1Di = i= ino D T(1)LLpk1 1 L4與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證支路 1 在 T1 時(shí)間內(nèi)輸出的平均電流為為了驗(yàn)證交錯(cuò)并聯(lián) Buck 電路工作原理分析的正確性，在 Saber 中搭建單電感的交錯(cuò) Buck 電路12()D + D T i121 LpkIo1 =(2)T進(jìn)行。并設(shè)計(jì)制作了一臺(tái) 3kW 的 UV 燈電子鎮(zhèn)1流器樣機(jī)，對(duì)電路工作原理分析及電路設(shè)計(jì)的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。4.1 電路的 Saber在Saber 中搭建單電感的交錯(cuò)Buck 電路進(jìn)行對(duì)于支路 1、支路 2（S2、D2、L）來(lái)說(shuō)，它們相當(dāng)于分別工作在 DCM 模式，故電路的輸出電壓為D1V =V = 2DV(3)0in1

15、 in，其波形如圖 5 所示。D + D12將(1)式、(3)式代入(2)式，化簡(jiǎn)可得L = (1 - 2D1 )V08 f1Io1(4)又對(duì)于支路 1、支路 2，有 I= I= 1 I ，o1o 202其中 I0 為電路總輸出電流，所以L = (1 - 2D1 )V0 = (1 - 2D1 ) R0 = (Vin - V0 ) R0(5)圖 5 DCM 模式下單電感交錯(cuò) Buck 電路 Saber波形4 f I 4 f4 f V1o11in可見(jiàn)，電路波形與理論分析一致，驗(yàn)證式中 R0 為單電感交錯(cuò) Buck 電路輸出端的等效負(fù)載電阻。由以上分析可見(jiàn)，若支路的頻率為 f1 ，工作了交錯(cuò)并聯(lián) B

16、uck 電路工作原理分析的正確性。4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析電子鎮(zhèn)流器的輸入為三相供電，接入單電感的交錯(cuò) Buck 電路，輸出整流后逆變電于 DCM 模式的交錯(cuò) Buck 電路，等效于單路Buck 電路工作于兩倍開(kāi)關(guān)頻率 2 f1 。當(dāng)?shù)刃ж?fù)載電阻 R0 取最小值，輸入電壓Vin取最小值時(shí)，可得臨界電感 L 的最小值 L0路產(chǎn)生交流方波驅(qū)動(dòng) UV 燈。系統(tǒng)采用單片機(jī)進(jìn)行，并根據(jù)紫外線燈特殊的負(fù)載特性，采用恒流和恒功率率。關(guān)于模式來(lái)使 UV 燈有穩(wěn)定輸出額定功環(huán)路的設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)5較為詳細(xì)(V- V ) RL =in min00 min(6)的說(shuō)明，這里不再分析。樣機(jī)中，設(shè)計(jì)單電感交錯(cuò) Buck 電路的

17、輸出電04 fV 1 in min只要保證電感的取值 L £ L0 ，單電感的交錯(cuò)Buck 電路就能工作于 DCM 模式。3.2 輸出濾波電容設(shè)計(jì)壓為 225V，三相電整流后輸入單電感交錯(cuò)Buck 電路的電壓最小值約為Vin min = 465V 。當(dāng)紫外線燈穩(wěn)定工作時(shí)，單電感交錯(cuò) Buck 電路輸出端的1670中國(guó)電源學(xué)會(huì)第二十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)集V 2等效電阻可視為恒定，故可由 R0 = o 計(jì)算 BuckP輸出端等效負(fù)載電阻。這里取 R0min = 16W 。另外， 取單電感交錯(cuò) Buck 電路的各支路的工作頻率為f1 = 8kHz 。將Vin min 、 R0min 、 f1 代入

18、 (6) 式可得， L0 = 272uH 。實(shí)際樣機(jī)中，取 L = 220uH 。同樣， 由(7)式計(jì)算可得Co » 13uF ，考慮到電容 ESR 等非理想因素，同時(shí)也為了得到更好的濾波效果，實(shí)際電路中采用 4 個(gè)20uF 的薄膜電容進(jìn)行并聯(lián)作為單電感交錯(cuò) Buck 電路的輸出濾波電容。制作的 UV燈電子鎮(zhèn)流器樣機(jī)如圖 6 所示。iA 、iB 的電流波形(c)圖 7 實(shí)驗(yàn)波形圖 7(a)為交錯(cuò) buck 輸出電壓波形；圖 7(b)為紫外線燈兩端電壓與電流波形。圖 7(c)為iA 、iB 的電流波形，與理論及分析的理想波形基本一致，但一定差異，兩個(gè)支路續(xù)流過(guò)程并不一致。其現(xiàn)象為，當(dāng)其

19、中一個(gè)支路的開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，該支路的電流下降與另一支路的電流上升并沒(méi)有達(dá)到相等后進(jìn)行同步續(xù)流。分析其 為，連接開(kāi)關(guān)管與共用的電感之圖 6 樣機(jī)實(shí)物圖樣機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形如圖 7 所示。間的引線的引線電感引起的。為了驗(yàn)證以上分析的正確性，在圖 1 所示電路中接入兩個(gè)小電感 L1、L2 作為兩個(gè)支路的引線電感，如圖 8所示。對(duì)圖 8 所示電路進(jìn)行 Saber，的電流波形與實(shí)驗(yàn)波形一致，如圖 9 所示。如果對(duì)引線進(jìn)行優(yōu)化，將會(huì)有更理想的分流效果。圖 8 考慮引線電感的電路(a) 交錯(cuò)buck 輸出電壓波形圖 9 考慮引線電感電路的波形5結(jié)論在基本交錯(cuò)并聯(lián) Buck 電路的基礎(chǔ)上，提出了工作于DCM

20、 模式下的交錯(cuò)Buck 電路共用一個(gè)電感的電路。交錯(cuò) Buck 電路工作于 DCM 模式，能夠消除二極管的反向恢復(fù)損耗。采用單電感的交錯(cuò) Buck(b) 紫外線燈兩端電壓與電流波形1671中國(guó)電源學(xué)會(huì)第二十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)集電路，不僅具有普通交錯(cuò) Buck 電路的優(yōu)點(diǎn)，而且能少用一個(gè)電感，節(jié)約成本，提高功率密度。同時(shí)在兩支路的開(kāi)關(guān)管均截止時(shí)，電感上的電流分別通過(guò)兩個(gè)支路的續(xù)流二極管同時(shí)續(xù)流，因此單個(gè)支路二極管的電流應(yīng)力相比于普通交錯(cuò) Buck 電路能夠減小一半。分析了單電感交錯(cuò) Buck 電路工作于DCM 模式的原理，對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并進(jìn)行2，張相軍交錯(cuò)并聯(lián)Buck 變換器設(shè)計(jì)及J. 電氣傳動(dòng). 2013(S1)分析3A. C. Sc