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1、中國電源學會第二十一屆學術(shù)年會集DCM 模式下共用電感的交錯 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)夠帶來技術(shù)、效益和環(huán)境上的多重優(yōu)勢，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 UV 燈的工作穩(wěn)定性起到的作用。開關(guān)變換器在輸出電流較大的應(yīng)用場合中，常使用交錯并聯(lián)技術(shù)。采用 n 個支路的交錯并聯(lián)電路， 在同等輸出的情況下，可以使每個支路開關(guān)管的電流、開關(guān)頻率僅為原輸出電流、原開關(guān)頻率的 1/n。因而能減小開關(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關(guān)損耗，提高整機效率。此外，交錯并聯(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，采用交錯并聯(lián)技術(shù)能使系統(tǒng)具有以上諸多優(yōu)點。對于基本 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 模式下的交錯并聯(lián) Buck 共用一個電感的電路，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并聯(lián)Buck 電路的優(yōu)點， 而且能少用一個電感，同時支路續(xù)流二極

6、管的電流應(yīng)力也能減小一半。分析了交錯 Buck 電路工作于 DCM 模式的優(yōu)點， 對 DCM 模式下共用單個電感的交錯 Buck 電路的工作原理進行了分析，給出了電路的設(shè)計方法。最后，對電路進行DCM對于模式下功率開關(guān)管承受電流應(yīng)力較大。然而交錯 Buck 電路，兩個支路開關(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。而當交錯 Buck 電路工作于 DCM 模Saber，并通過制作一臺 3kW 的UV 燈電子鎮(zhèn)流器樣機進行了驗證。式，其續(xù)流二極管不反向恢復，故能有效的減：交錯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 Bu

7、ck電路相當于兩個支路工作，故可以共用一個電紫外線技術(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，在省去一個電感元件后，由于兩個支路上的續(xù)流二極管共同為一個電感進行續(xù)流，因此相比于普通交錯 Buck 電路，單電感交錯 Buck 電路的各支路續(xù)流二極管的電流應(yīng)力能進一步減半。這里設(shè)計 UV 燈電子鎮(zhèn)流器，采用單電感交錯 Buck 電路，并使電路工作于DCM 模式。色技術(shù)。它利用 UV 燈通過 UV 燈鎮(zhèn)流器產(chǎn)生紫外線，對紫外線輻射可材料進行輻射，使其產(chǎn)生光化學反應(yīng)，達到瞬間粘合或。紫外線技術(shù)具有瞬間、持久性強、環(huán)保高效等優(yōu)點，能基金項目：自然科學基金項目(51277004)；北京

8、市屬高等學校次引進與培養(yǎng)計劃項目 (IDHT20130501)1668中國電源學會第二十一屆學術(shù)年會集2電路原理分析DCM 模式下共用一個電感的路如圖 1 所示。階段 2（ t1 t2 ） 在t1 時刻，S1 關(guān)斷，此時S2 仍處于關(guān)斷狀態(tài)，故 D1、D2 同時導通，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 D1、D2 同時續(xù)流，兩者電流下降速率相等，此時iL =iA + iB = 2iA = 2iB 。在t2 時刻， iA 、iB 同時下降為零，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，負載由電容 Co 供電。交錯Buck 電圖 1 DCM 模式下單電感交錯 Buck 電路假定開關(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 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、B 點的電流波形。階段 4（ t t ） 類似于階段 1。S2 導通，S134關(guān)斷，D1、D2 截止，電流經(jīng) S2、L 為電容充電并為負載供能。這一階段， i =i ， i = 0 ，L 儲能。LBA） 類似于階段階段5（ t t2。在t

10、時刻，454S2 關(guān)斷，此時 S1 仍處于關(guān)斷狀態(tài)，故 D1、D2 同時導通，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 D1、D2 同時續(xù)流， 兩者電流下降速率相等，此時iL =iA + iB = 2iA = 2iB 。在t5 時刻， iA 、iB 同時下降為零，電感電流iL 也下降為零。階段6（ t5 t6 ） 類似于階段 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，負載由電容 Co 供電。由以上分析可見，工作于 DCM 模式、共用一個電感的交錯 Buck 電路，其輸出與普通交

11、錯 Buck 電路相同，具有交錯并聯(lián) Buck 電路的優(yōu)點。同時在省去一個電感元件后，電感的電流通過兩個二極管 D1、D2 同時續(xù)流，因此相比于普通交錯 Buck 電路，續(xù)流二極管的電流應(yīng)力能進一步減半。圖 2 DCM 模式下單電感交錯 Buck 電路的工作波形在一個開關(guān)周期內(nèi)，DCM 模式下電路的工作過程可分為 6 個階段，如圖 3 所示。3 電路設(shè)計3.1 電感設(shè)計交錯 Buck 電路的臨界模式定義為支路 1 續(xù)流完成后，支路 2 開關(guān)管剛好開始導通。(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 Buck 電路的

12、6 個工作階段階段 1（ t0 t1 ） S1 導通，S2 關(guān)斷，D1、D2 截止，電流經(jīng) S1、L 為電容 Co 充電并為負載供能。這一階段， iL =iA ， iB = 0 ，L 儲能。圖 4 DCM 模式下單電感交錯 Buck 電路的工作波形1669中國電源學會第二十一屆學術(shù)年會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，另一支路開關(guān)管剛好開啟，得到的波形如圖 4 所示。因為電路工作于 DCM 模式，在計算臨界電感值的過程中，可以將交錯并聯(lián) Buck 電路視為兩個支路分別工作

13、。下面對臨界電感 Lo 的計算作具體分析。若t2 = t3 、t5 = t6 ，顯然有 D1 + D2 = 0.5 。對于其中的支路 1（S1、D1、L），有輸出濾波電容的大小決定了交錯 Buck 電路輸出電壓紋波的。工程應(yīng)用中，在設(shè)計 Buck變換器的輸出濾波電容時，常常根據(jù)對穩(wěn)壓電源輸出紋波電壓DVo 的要求來決定4。由前面的分析，工作于 DCM 模式的交錯 Buck 電路，相當于單路 Buck 電路工作于兩倍開關(guān)頻率 2 f1 。因此也可以根據(jù)對輸出紋波電壓DVo 的要求，由式(7)來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與實驗驗證支路 1 在 T1 時間內(nèi)輸出的平均電流為為了驗證交錯并聯(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 Buck 電路12()D + D T i121 LpkIo1 =(2)T進行。并設(shè)計制作了一臺 3kW 的 UV 燈電子鎮(zhèn)1流器樣機，對電路工作原理分析及電路設(shè)計的正確性進行了驗證。4.1 電路的 Saber在Saber 中搭建單電感的交錯Buck 電路進行對于支路 1、支路 2（S2、D2、L）來說，它們相當于分別工作在 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，化簡可得L = (1 - 2D1 )V08 f1Io1(4)又對于支路 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 Buck 電路 Saber波形4 f I 4 f4 f V1o11in可見，電路波形與理論分析一致，驗證式中 R0 為單電感交錯 Buck 電路輸出端的等效負載電阻。由以上分析可見，若支路的頻率為 f1 ，工作了交錯并聯(lián) B

16、uck 電路工作原理分析的正確性。4.2 實驗驗證及分析電子鎮(zhèn)流器的輸入為三相供電，接入單電感的交錯 Buck 電路，輸出整流后逆變電于 DCM 模式的交錯 Buck 電路，等效于單路Buck 電路工作于兩倍開關(guān)頻率 2 f1 。當?shù)刃ж撦d電阻 R0 取最小值，輸入電壓Vin取最小值時，可得臨界電感 L 的最小值 L0路產(chǎn)生交流方波驅(qū)動 UV 燈。系統(tǒng)采用單片機進行，并根據(jù)紫外線燈特殊的負載特性，采用恒流和恒功率率。關(guān)于模式來使 UV 燈有穩(wěn)定輸出額定功環(huán)路的設(shè)計，文獻5較為詳細(V- V ) RL =in min00 min(6)的說明，這里不再分析。樣機中，設(shè)計單電感交錯 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Buck 電路就能工作于 DCM 模式。3.2 輸出濾波電容設(shè)計壓為 225V，三相電整流后輸入單電感交錯Buck 電路的電壓最小值約為Vin min = 465V 。當紫外線燈穩(wěn)定工作時，單電感交錯 Buck 電路輸出端的1670中國電源學會第二十一屆學術(shù)年會集V 2等效電阻可視為恒定，故可由 R0 = o 計算 BuckP輸出端等效負載電阻。這里取 R0min = 16W 。另外， 取單電感交錯 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 。實際樣機中，取 L = 220uH 。同樣， 由(7)式計算可得Co » 13uF ，考慮到電容 ESR 等非理想因素，同時也為了得到更好的濾波效果，實際電路中采用 4 個20uF 的薄膜電容進行并聯(lián)作為單電感交錯 Buck 電路的輸出濾波電容。制作的 UV燈電子鎮(zhèn)流器樣機如圖 6 所示。iA 、iB 的電流波形(c)圖 7 實驗波形圖 7(a)為交錯 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，兩個支路續(xù)流過程并不一致。其現(xiàn)象為，當其

19、中一個支路的開關(guān)管關(guān)斷時，該支路的電流下降與另一支路的電流上升并沒有達到相等后進行同步續(xù)流。分析其 為，連接開關(guān)管與共用的電感之圖 6 樣機實物圖樣機穩(wěn)定工作時的實驗波形如圖 7 所示。間的引線的引線電感引起的。為了驗證以上分析的正確性，在圖 1 所示電路中接入兩個小電感 L1、L2 作為兩個支路的引線電感，如圖 8所示。對圖 8 所示電路進行 Saber，的電流波形與實驗波形一致，如圖 9 所示。如果對引線進行優(yōu)化，將會有更理想的分流效果。圖 8 考慮引線電感的電路(a) 交錯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Buck 電路共用一個電感的電路。交錯 Buck 電路工作于 DCM 模式，能夠消除二極管的反向恢復損耗。采用單電感的交錯 Buck(b) 紫外線燈兩端電壓與電流波形1671中國電源學會第二十一屆學術(shù)年會集電路，不僅具有普通交錯 Buck 電路的優(yōu)點，而且能少用一個電感，節(jié)約成本，提高功率密度。同時在兩支路的開關(guān)管均截止時，電感上的電流分別通過兩個支路的續(xù)流二極管同時續(xù)流，因此單個支路二極管的電流應(yīng)力相比于普通交錯 Buck 電路能夠減小一半。分析了單電感交錯 Buck 電路工作于DCM 模式的原理，對電路設(shè)計進行分析，并進行2，張相軍交錯并聯(lián)Buck 變換器設(shè)計及J. 電氣傳動. 2013(S1)分析3A. C. Sc