一種新型車載HID燈電子鎮(zhèn)流器準諧振拓撲研究

胡子陽，趙 升

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

一種新型車載HID燈電子鎮(zhèn)流器準諧振拓撲研究

胡子陽，趙 升

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

針對傳統(tǒng)車載HID燈電子鎮(zhèn)流器工作效率低的問題，提出并研究了一種新型車載HID燈電子鎮(zhèn)流器準諧振拓撲。與傳統(tǒng)車載HID燈電子鎮(zhèn)流器拓撲相比，該新型車載HID燈電子鎮(zhèn)流器準諧振拓撲的開關管工作于零電壓導通(Zero Voltage switching，ZVS)狀態(tài),二極管工作于零電流關斷(Zero Current switching，ZCS)狀態(tài)，實現(xiàn)了高效率功率變換。同時，該新型車載HID燈電子鎮(zhèn)流器準諧振拓撲能夠快速響應負載變化，簡化了DC-DC變換器設計。詳細分析了這種新型車載HID燈電子鎮(zhèn)流器準諧振拓撲的工作原理及關鍵參數(shù)的設計原則，最后通過實驗驗證了理論分析的正確性。

DC-DC變換器；HID燈電子鎮(zhèn)流器;軟開關;零電壓導通；零電流關斷；高效率功率變換

1 引言

直流/直流轉(zhuǎn)換器是實現(xiàn)車載HID燈電子鎮(zhèn)流器燈電壓、燈電流轉(zhuǎn)換的關鍵部件。隨著功率密度、效率逐漸成為車載HID燈設計的主要關注點，諧振變換器拓撲越來越受到人們的關注[1-2]。與傳統(tǒng)硬開關變換器相比，諧振變換器在較寬范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)開關管的軟導通和二極管的軟關斷，提高了車載HID燈電子鎮(zhèn)流器的效率，得到了廣泛應用[3-4]。

由于車載HID燈電子鎮(zhèn)流器必須具有升壓功能，以及對開路負載的大電壓輸出能力，并且為了盡量減少元器件的數(shù)量，車載HID燈電子鎮(zhèn)流器均選用反激拓撲。由于反激變壓器的漏感將在開關管上產(chǎn)生高壓脈沖，使得開關管工作于硬導通與硬關斷狀態(tài)，這會嚴重影響系統(tǒng)效率[5]。

針對上述問題，研究了一種新型車載HID燈電子鎮(zhèn)流器準諧振拓撲，與傳統(tǒng)反激式HID燈電子鎮(zhèn)流器拓撲相比，該新型車載HID燈電子鎮(zhèn)流器準諧振拓撲的開關管工作于零電壓導通 (Zero Voltage switching，ZVS)狀態(tài),二極管工作于零電流關斷(Zero Current switching，ZCS)狀態(tài)，實現(xiàn)了高效率功率變換。同時，該新型車載HID燈電子鎮(zhèn)流器準諧振拓撲能夠快速響應負載變化，簡化了DC-DC變換器設計。詳細分析了這種新型車載HID燈電子鎮(zhèn)流器準諧振拓撲的工作原理及關鍵參數(shù)的設計原則，最后通過實驗驗證了理論分析的正確性。

2 開關管工作狀態(tài)分析

如圖1所示開關管工作于硬開關狀態(tài)，Vg為開關管驅(qū)動脈沖，Vds為開關管兩端電壓，Ids為流過開關管的電流。開關管導通時，開關管的電流上升和電壓下降同時進行；開關管關斷時，開關管的電壓上升和電流下降同時進行，因此電壓、電流波形的交疊產(chǎn)生了開關損耗，會降低開關電源的效率。

圖1 開關管工作于硬開關狀態(tài)

為了提高車載HID燈電子鎮(zhèn)流器的工作效率，需要降低開關管的開關損耗，即要求開關管工作于軟開關狀態(tài)[6]，如圖2所示。開關管工作于軟開關狀態(tài)，開關管導通時，開關管的電壓已經(jīng)降到零，之后開關管的電流上升，即開關管工作在零電壓導通狀態(tài)（ZVS）；開關管關斷時，開關管的電流已經(jīng)降到零，之后開關管的電壓上升，即開關管工作在零電流關斷狀態(tài)（ZCS）。開關管工作在軟開關狀態(tài)，電壓和電流不會產(chǎn)生交疊，減少了開關損耗，提高了變換器效率。

圖2 開關管工作于軟開關狀態(tài)

3 新型準諧振H I D鎮(zhèn)流器拓撲工作原理分析

3.1 工作波形

圖3(a)所示為新型準諧振HID電子鎮(zhèn)流器拓撲的原理圖，Vin為輸入電壓，Lm為勵磁電感，Q為開關管，開關管內(nèi)部存在反向并聯(lián)二極管D1，Cd為開關管輸出電容，T為匝數(shù)比為n的理想變壓器，D為輸出整流二極管，C為濾波電容，R為負載電阻，Vo為輸出電壓。圖3(b)所示為其工作時序波形圖，Vg為開關管驅(qū)動脈沖波形，Vds為輸出電容電壓波形 (或開關管兩端電壓波形)，iLm為勵磁電感電流波形，ids為流過開關管的電流波形[7]。

圖3 新型準諧振HID電子鎮(zhèn)流器拓撲

3.2 工作過程分析

在一個開關周期Ts內(nèi)，新型準諧振HID電子鎮(zhèn)流器的工作原理如下所述：

[t1-t2]：如圖3(b)所示，在t1時刻，開關管Q導通，輸入電壓Vin加到勵磁電感Lm兩端，勵磁電感電流iLm線性增大，此時能量被儲存在勵磁電感Lm中，輸出整流二極管D截止。

[t2-t3]：如圖3(b)所示，在t2時刻，開關管Q關斷，開關管電流ids迅速降為零，勵磁電感Lm與開關管輸出電容Cd諧振，這里可假定勵磁電感Lm很大，即流過輸出電容Cd的勵磁電感電流iLm不變，所以輸出電容Cd的端電壓Vds線性上升，在t3時刻，輸出電容Cd的端電壓Vds上升到Vg+nVo。

[t3-t4]：如圖3(b)所示，在t3時刻，由于輸出電容Cd的端電壓Vds上升到Vg+nVo，所以變壓器T次級側(cè)電壓為Vo，因此輸出整流二極管D導通，儲存在勵磁電感Lm中的能量向次級側(cè)傳輸，勵磁電感電流iLm線性下降，在t4時刻，勵磁電感電流iLm下降到零，輸出整流二極管D關斷，變壓器初級側(cè)與次級側(cè)斷開。

[t4-t5]：如圖3(b)所示，在t4時刻，由于勵磁電感電流iLm下降到零，變壓器初級側(cè)與次級側(cè)斷開，所以勵磁電感Lm與輸出電容Cd諧振，勵磁電感電流iLm與輸出電容的端電壓Vds波形均為正弦波，t5時刻，輸出電容的端電壓Vds諧振到零。

[t5-t6]：如圖3(b)所示，在t5時刻，輸出電容兩端電壓Vds諧振到零，由于開關管Q內(nèi)部存在反向并聯(lián)二極管D1，所以輸出電容的端電壓Vds始終被箝位至零，此時勵磁電感電流iLm通過反向并聯(lián)二極管D1，由于輸入電壓Vin加到勵磁電感Lm兩端，所勵磁電感電流iLm線性增大。

由于在[t5-t6]時間段內(nèi)，開關管兩端電壓Vds始終為零，若在t6時刻導通開關管，即實現(xiàn)了開關管的零電壓導通，二極管的零電流關斷，使得變換器工作在軟開關狀態(tài)[8]。

4 實驗驗證

根據(jù)前述新型準諧振HID電子鎮(zhèn)流器的工作原理分析，設計HID電子鎮(zhèn)流器的工作參數(shù)為：輸出功率Po=35W，輸出電流Io=0.41A，輸入電壓Vi=13.5V，工作頻率 fs=180KHz，初級電感 Lp= 3.47uH，占空比D=0.51，匝數(shù)比n=6。圖4所示為新型準諧振HID電子鎮(zhèn)流器穩(wěn)態(tài)實驗波形，由圖可知，新型準諧振HID電子鎮(zhèn)流器的開關管工作于零電壓導通狀態(tài)，二極管工作于零電流關斷狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的工作效率。實驗結果表明該新型準諧振HID電子鎮(zhèn)流器工作于軟開關狀態(tài)，具有較高的工作效率。

圖4 新型準諧振HID電子鎮(zhèn)流器穩(wěn)態(tài)實驗波形

5 結束語

對一種新型車載HID燈電子鎮(zhèn)流器拓撲的工作原理和設計過程進行了詳細分析，與傳統(tǒng)車載HID燈電子鎮(zhèn)流器拓撲相比，該新型車載HID燈電子鎮(zhèn)流器準諧振拓撲的開關管工作于零電壓導通(ZeroVoltage switching，ZVS)狀態(tài),二極管工作于零電流關斷(Zero Current switching，ZCS)狀態(tài)，這樣開關管上面就不會產(chǎn)生功率消耗，從而實現(xiàn)了高效率功率變換。

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Design of a New Type of Quasi-resonant HID Lamp Electronic Ballast Topology

Hu Ziyang，Zhao Sheng
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032，China）

Due to the problems of poor efficiency performance in traditional HID lamp electronic ballast,a new type of quasi-resonant HID lamp electronic ballast topology is proposed and studied in this paper.Compared with the traditional one,the new quasi-resonant HID lamp electronic ballast simplifies the design.Besides,the new quasi-resonant HID lamp electronic ballastcould achieve zero-voltage switching(ZVS)for switches in every switching cycle.At last,the correctness of theoretical analysis is validated by experimental results.

DC-DC converter；HID lamp electronic ballast；Soft switch；ZVS；ZCS；High efficiency power switching

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.02.002

TN47

B

1002-2279-（2017）02-0008-03

胡子陽（1978-），男，遼寧省鐵嶺市人，高級工程師，碩士，主研方向：集成電路設計與應用。

2016-8-2