电荷泵式电子镇流器基本电路的分析

ΔQch=Cin(ug＋2Up－udc) （4）

式中：2Up=uamax－uamin——ua的交流峰-峰值。

因为，在整个开关周期内，整流二极管只在阶段2内导通，则一个周期内的平均输入电流就等于Cin的平均充电电流，即：

iin,av=fsΔQch=fsCin(ug＋2Up－udc) （5）

要使功率因数值大，就期望输入电流紧紧跟随输入电压，即：

iin,av∝ug （6）

如果在设计时，使

udc=2Up=ua,max－ua,min （7）

就会有：

iin,av=fsCinug∝ug （8）

这就意味着，如果满足式（7），该电路就会有良好的功率因数。这里，假定ua是正弦波形。事实上，ua可能是幅值恒定的其它任何波形。ua的直流偏置，也不是决定输入电流波形的因素。只要ua的峰-峰值（2Up）等于udc，就能保证获得良好的功率因数。

从式（5）还可看出，2Up不应小于udc，这可避免电网电压过零时，电网电流发生波形畸变。如果2Upudc，则在ug≤|udc-2Up|时，电网电流会变成零。

2.2 输入电流波形和灯电流波形不好的原因

在实际电路中，输入电流可能畸变。这是由于Cin对逆变器电路的影响。该逆变器的工作可分为三个等效的拓扑，如图5所示。图5中R1a'是灯的等效电阻。图5表明，电容Cin在阶段1及阶段3，并不影响电路工作，但在阶段2和阶段4，Cin被接入了谐振电路。在交流等效电路中，Cin同Cr并联起来了。因此，该等效的逆变器，可近似为图6的电路。等效谐振电容值等于Cineq＋Cr（而Cb1仅仅是个隔直电容）。

(a） 阶 段1，3 (b) 阶 段2 (c) 阶 段4

图5 逆 变 器 工 作 的 三 个 子 拓 扑

转换后Cin的等效值可近似为一个可变电容Cineq，如图6所示。因为，在一个开关周期内，由Cineq泵入谐振电路中的电荷可由式（4）表示，Cineq两端上的电压变化等于2Up，则该等效的输入电容可以这样估算：

图 6 近 似 等 效 的 逆 变 器

Cineq=ΔQch/ΔU=Cin(ug＋2Up－udc)/2Up （9）

通常，在交流电网电压半周期内，2Up和udc的变化是很小的，可通过适当的设计，使udc≈2Up，总能保持住。所以式（9）可写成

Cineq≌Cin(ug/2Up)∝ug （10）

尽管式（10）从数学上讲不是严密的。但它使我们能较好地理解Cin对谐振电路的影响。一般地说，由于Cin的影响，总的谐振电容值（Cr＋Cineq）是随着电网电压ug的下降而减小，如式（10）所示。这使得高频交流电压ua的幅值在电网电压半周期内成为可变的。从而，在此半周期内，式（7）就不能成立。于是，输入电流波形畸变了，THD也升高了。因为，灯的阻抗很接近一个具有负的动态值的电阻（负阻），则灯管电压上叠加的100Hz的纹波也会在灯电流波形上引发较强的100Hz纹波。结果，灯电流的波峰比CF值也变高了。

当电网电压变低时，总的谐振电容就变小了。在轻载状态，这可能引起该逆变器的谐振频率偏移到高于开关频率，谐振电路的电流iL将会超前回路电压ut。结果，导致功率开关管MOSFET不能在零电压下开 关 （ZVS） （ 详 见3中 的 论 述 ） 。 在 高 频 工 作 时 ，MOSFET中 的 二 极 管 的 反 向 恢 复 电 流 可 能 会 损 坏MOSFET器 件 （ 详 见3中 的 例 子 ） 。

虽然，选用大的Cr（Cr》Cin）可能会降低Cin引起的影响，但谐振电感器中的电流应力仍然很高。所以，从效率和Lr的体积尺寸两者来考虑，选用大的Cr并不可取。

3 改善输入电流及灯电流波形的办法

根据式（5），要获得正弦输入电流波形，有两个途径：一是调整MOSFET管的开关频率fs，二是获得一种关系式：2Up=udc。调整fs就需要复杂的控制电路，况且，也难保证得到低的灯电流波峰比CF。因此，设法使2Up=udc，是可选择的途径。

3.1 基本的解决思路

图1基本电路的波形示于图7。由于Cin的调制作用，ua的包络线上有明显的100Hz纹波。uc的变化，也不能跟随输入电压ug。为得到良好的输入功率因数，应该滤平ua的包络。在特殊情况下，2Up总是大于udc，可以采用二极管箝位技术，来滤平ua的包络。此电路示于图8，其波形如图9所示。ua的包络被箝在udc（在这种情况下，uamax=udc，uamin=0），式（7）总能成立。可获得正弦输入电流波形。

(a) ua波 形 (b) uc波 形

图 7 基 本 电 荷 泵 电 路 中 的ua及uc波 形 （2Up>udc）

图8 带 箝 位 二 极 管 后 的 改 进 电 路

(c) 模 态3：iL> 0，ua=udc

(d) 模 态4：iL>0，0P udc>

(e) 模 态5：iL 0，0

(a) 模 态1：iL 0，0uaudc

(b) 模 态2：iL > 0，0uaudc

图9 有 箝 位 二 极 管 后 ， 改 进 电 路 的ua及uc波 形

3.2 工作原理

该逆变电路的稳态工作可分成六个工作模态，如图10所示。图中，ZA代表Cineg，Cr及R1a'＋Cb1的等效组合。图11为该电路的仿真波形。在下面讨论中，正向电流和电压的方向按图10所示定义。

图 10 在 新 电 路 中 的 六 个 工 作 模 态