维普资讯 http://www.cqvip.com 第２３卷第３期 华侨大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｕａｑｉａｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ） ＶＯ１．２３ ＮＯ．３ ２００２年７月 Ｊｕ１．２００２ 文章编号１０００—５０１３（２ＯＯ２）Ｏ３—０２８９—０４ 复合方式电压共振型逆变器的特性改善 郑耀林 尚智强 （华侨大学机电工程与自动化学院，福建泉州３６２０１１） 摘要 提出一种复合方式的电压共振型逆变器，给出７种电路拓扑．分析运行中主开关存在着高 电压应力的原因，采用减小扼流圈电感和共振回路特征阻抗的办法，减小主开关的电压应力．为克 服失真增大、功率因素降低及出现纹波的不足，在加入附加控制电路后，不但可以抑制主开关的电 压应力，而且可以改善功率因数和失真系数，获得良好的动态和静态特性． 关键词 逆变器，复合电路，电子镇流器，功率因数，失真系数 中图分类号ＴＭ ４６４：ＴＭ １３ 文献标识码Ａ 目前，体积小、重量轻、高效率和高发光率的高频点灯电子镇流器，已经在荧光灯中应用． 这种电子镇流器的主电路由三部分组成，即把工频交流电整流、平滑为直流的电源部分，用数 十赫兹开关频率，把直流变换成正弦波状交流电的高频变换部分，以及点灯电路等．其中，高频 变换部分一般采用高效率的共振型逆变器，以使电子镇流器的体积小、重量轻，并提高发光效 率．直流电源部分，则要求它既能维持灯管的发光，又要防止闪烁现象的产生．同时，电子镇流 器在稳定工作时，输入功率因数要高而电流失真系数要小．但是，直流电源部分大多采用的是 全波整流，然后用大容量的滤波电容来平滑．这将造成因交流输入电流在大容量电容充电期间 的急剧流动，而使功率因数降低，电流中高次谐波含量增多的不足．为此，我们设计了一种复合 方式电压共振型逆变器电路．它具有结构简单、效率高、输出电压平滑和可抑制荧光灯的闪烁 现象等优点．选择逆变器参数的同时，在原有控制电路中加入附加控制电路，便可减少主开关 的电压应力、提高功率因数，以及降低失真系数． 电路的构成及电路拓扑 图１是设计的复合方式电压共振型逆变器的基本电路．其中， ，Ｃｒ－和Ｃｒｚ为噪声滤波器， Ｄ…Ｄ。 ，Ｄ。 和Ｄ。。是桥式整流电路， 。，Ｄ ，Ｃ。和丁 构成有源滤波器，Ｃｓ，Ｌｚ，厶和丁 构成高 频逆变器．主开关丁 是有源滤波器和高频逆变器的共用元件，故称为复合方式．两者之间通过 电容Ｃ 连接．尺为荧光灯稳态工作时的等效电阻，Ｃ。是点灯预热电容，Ｃｓ和 为并联共振回 路．它们与丁 构成单管电压共振型逆变器．另外，由于Ｃ。的容量较大，使逆变器的直流输入电 压很平稳．为了便于分析，对图１电路进行４点的假设．（１）整流二极管Ｄ Ｄ－ｚ，Ｄ－ｓ和Ｄ－ｔ用 一个Ｄ。代表．（２）主开关丁 ，二极管Ｄ。，Ｄ 为理想器件，视为开关ｎ ．（３）各电感为一常数， 收稿日期２００１—１１—２７ 作者简介郑耀林（１９４３一），男，教授 维普资讯 http://www.cqvip.com ２９Ｏ 华侨大学学报（自然科学版） 且铁芯不饱和，忽略Ｃｒ 的影响．（４）Ｃａｃ经整流后为一连串的正半波，用 表示 图ｌ 复合方式电压共振型逆变器基本电路 经以上假设后，分析７１ ，，） 和Ｄ 的通断情况．图１电路有如表１所示的７种通断状态．据 表１通断状态 这些通断状态，可作出其相应的电路拓扑．由表１可见，状态１～４是７１ 断开，由Ｃ。和 实现 电压共振的状态．此时，７ 两端将出现电压应力．状态５～７是７１ 导通，因Ｃ 较大，破坏了Ｃ。， Ｌｚ的共振条件的状态．特别是在状态６，这时因Ｄ 断开，故由Ｃ 所储存的能量向负荷供电． ２ 主开关的电压应力及抑制 经分析和试验，若电路在一个开关周期中，按通断状态２，４，３，１，７，６顺序工作，则可获得 比较高的输入功率因数和低的电流失真系数．图２为该情况的 ， 和７１ 观测波形．图２（ａ） （ａ） 和， （ｂ）Ｔ 图２工作模式Ｘ时的观测波形 中，横坐标为５ ｍｓ・格～，纵坐标 为２０ Ｖ・格～～ｉ为０．４ Ａ・格～；Ｌ 一０．５ ｍＨ，Ｚ 一４２６ Ｑ．此时，ｃｏｓ 为０．９９，输入电流综合失真系数为２．１ ．其中 一２０ Ｖ，Ｐ。一６ Ｖ，Ｒ一２０ Ｑ，但 ７１ 两端所产生的电压应力 ｎｓ将比 高８倍以上．为了把７１ 两端的电压应力抑制在器件可承 。。 ’。。。。。。。’。。。。。一 受的合适范围内，可减少扼流圈电感 及共振回路的特征阻抗Ｚ 一（√Ｌ ／ｃ。）来实现．当减 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 郑耀林等：复合方式电压共振型逆变器的特性改善 ２９１ 少到Ｌ 一０．１６ ｍＨ，Ｚ 一ｌ１８ Ｑ时，测得 ，ｉ 的波形，如图３所示．图中，横坐标为５ ｍｓ・ 格一，纵坐标 为２０ Ｖ・格一，ｉ。 为０．４ Ａ・格～．这时，丁 以５５ ｋＨｚ的开关频率工作，而丁 的电压应力已被抑制在输入电压幅值的３．８倍左右，如图４所示．由图３可看出，虽然 。 减少 了，而 的畸变却加大，使电流波形的综合失真系数上升到２６ 左右．当ｃｏｓ９９约降至０．９６时， 。亦出现波纹．为此，必须采取其它措施来改善． 图３ 减少 和Ｚ 后的 与 波形 图４ 减少Ｌｌ和Ｚ 后的７’ 电压应力 ３ 输入功率因数及失真系数的改善 虽然减少 ，ｚ 可以抑制主开关７１ 的电压应力，但却使输入电流失真加大，功率因数降 低．为解决这个问题，我们在原控制电路中加入附加控制电路即可实现（图５中虚框所围部 分）Ｃ３，４）．其中，对 采用反馈控制．但由于在启动的瞬间，会有较高的电压附加在灯管上，故加 入延迟电路来克服．另一路利用检测Ｔ 两端的峰值电压 ｏｓ，并采用前馈控制来克服输入电 ５控制电路 压有效值Ｅ 变化的影响．两路控制的输出相加，送入所附加的控制电路，与 在乘法器相乘 后得到输入电路的目标值ｉ ．经过差动放大后，送入ＶＣＯ（压控振荡器）．其输出为开关频率 一Ｇｒ（ 一 ）．式中，Ｇｒ为电流增益，是ＶＣＯ增益与差动放大器增益Ｇ。的乘积．然后，由 经驱动电路去控制主开关丁，．因此，图１电路中Ｐ。实际上是按频率调制（ＰＦＭ）控制的．图５中 Ｅ 和Ｅ 分别为 。，Ｅ 的目标值．这时，可测得波形因数（振幅与有效值之比）ｙ随Ｇｒ变化的特 性（图６）．由图６可见，Ｇｒ的变化有一定范围，且在５０～６０ ｋＨｚ・Ａ 之间变化为最佳．当Ｇｒ一 ６０ ｋＨｚ・Ａ 时，由于加入前述的附加控制电路，可得ｃｏｓ 一０．９８，总的波形失真系数约为 维普资讯 http://www.cqvip.com ２９２ 华侨大学学报（自然科学版） ２００２链 图６ 波形因数７与Ｇｆ关系曲线 １０ 的良好特性．丁 的电压应力 Ｄｓ也被抑制，在输入电压幅值的３．６～３．８倍之间． ４ 结束语 由以上的讨论和实测特性，可以得出如下两点结论．（１）本文所提出的电路方案，有７种 电路拓扑．（２）减少Ｌｌ和 值，并加入所提出的附加控制电路，不但可抑制主开关的电压应 力，而且可提高输入功率因数，减少输入电流失真系数和输出电压ｅｏ的波形因数．这对实际应 用将具有很好的指导意义． 参 考 文 献 １蔡宣三，龚绍文．高频功率电子学——直流一直流变换部分［Ｍ］．北京：科学技术出版社，１９９３．１２１～１４１ ２李爱文，张承慧．现代逆变器技术及应用［Ｍ］．北京：科学技术出版社，２０００．１２０￣１２５ ３何希才．新型开关电源设计与应用［Ｍ］．北京：科学技术出版社，２００１．１１Ｏ～１１３ ４郑耀林．复合方式半桥型逆变器的动作特性［Ｊ］．华侨大学学报（自然科学版），２００２，２３（１）：７７￣８０ Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ａ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｐａｔｔｅｒｎ ａｎｄ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｔｙｐｅ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ Ｚｈｅｎｇ Ｙａｏｌｉｎ Ｓｈａｎｇ Ｚｈｉｑｉａｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈ．Ｅｎｇ．＆Ａｕｔｏ．。Ｈｕａｑｉａｏ Ｕｎｉｖ．，３６２０１ ｌ，Ｑｕａｎｚｈｏｕ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｐａｔｔｅｒｎ ａｎｄ ｖｏｌｌａｇｅ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｔｙｐｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａｎｄ ｓｅｖｅｎ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒｓ ａｎａｌｙｓｅ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎ ｗｈｙ ａ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｔｒｅｓｓ ｅｘｉｓｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｗｉｔｃｈ ｄｕｒ— ｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ；ａｎｄ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｍａｉｎ ｓｗｉｔｃｈ ｂｙ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｏｆ ｃｈｏｋｅ ｃｏｉｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｏｆ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ；ａｎｄ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｅｒａｎｃｅ ｏｆ ｒｉｐｐｌｅ ｗａｖｅ ｂｙ ｐｕｔｔｉｎｇ ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ．Ａｆｔｅｒ ｐｕｔｔｉｎｇ ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｖａｌｔａｇｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｍａｉｎ ｓｗｉｔｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄ ｂｕｔ ａｌｓｏ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ａｎｄ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｃａｎ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｅ ｇｏｏｄ ｄｙｎａｍｉｃ ａｎｄ ｓｔａｔｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ａｒｅ ｔｈｕｓ ｏｂ— ｔａｉｎｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｂａｌｌａｓｔ，ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ，ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ