基于Boost-class E變換器的高升壓比S.E.L驅(qū)動電源設(shè)計與研究

張婷婷，趙晉斌，鄧平，屈克慶，張俊偉

（1.上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，上海 200090；2.上海城建物資有限公司，上海 200120）

我國交通運輸業(yè)的高速發(fā)展帶動機動車數(shù)量的激增，這一定程度上導(dǎo)致了車輛事故率的上升。傳統(tǒng)反光標(biāo)識因其發(fā)光條件，在復(fù)雜天氣及道路條件下極易引起交通事故。而發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）自發(fā)光交通標(biāo)識由于光污染、炫光及結(jié)構(gòu)問題，在城市道路中也常引發(fā)群發(fā)性交通事故[1-2]。采用晶體電子離化發(fā)光的智能電致發(fā)光（smart electroluminescent，S.E.L）標(biāo)識由于其便攜性（采用太陽能系統(tǒng)供電）、無光污染、高可視性及高可靠性成為新一代交通標(biāo)識的必然選擇。

由于采用中間層晶體電子離化發(fā)光，S.E.L元件具有極高的發(fā)光效率。為實現(xiàn)單位時間內(nèi)足夠數(shù)量光子的釋放以保證元件發(fā)光亮度，發(fā)光晶體電子應(yīng)以高速離化并退回基態(tài)釋放光子。同時，考慮到采用S.E.L技術(shù)的交通標(biāo)識的便攜性，其一般以鋰電池作為電源[3-5]。因此，需設(shè)計出一種高升壓比、高頻逆變器以使發(fā)光晶體電子充分離化并快速進(jìn)入基態(tài)。

傳統(tǒng)全橋逆變器級聯(lián)變壓器雖可實現(xiàn)逆變升壓，但由于逆變頻率較高，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電源整體效率不高。且由于升壓要求較高，變壓器體積較大，電源裝配困難。本文在分析S.E.L元件負(fù)載特性的基礎(chǔ)上充分利用其在特定頻率條件下高阻抗的特點提出了一種將帶軟開關(guān)的Boost變換器與E類逆變器級聯(lián)的升壓變換器。E類逆變器作為一種單開關(guān)管逆變器，自提出以來便廣泛應(yīng)用于通信射頻領(lǐng)域[6-7]。由于其特殊的諧振逆變特性，開關(guān)管易工作在軟開關(guān)狀態(tài)，理論最高效率可達(dá)100%[8-10]。帶軟開關(guān)Boost電路通過對開關(guān)管并聯(lián)塑形電容并在負(fù)載端串聯(lián)諧振電感，實現(xiàn)對開關(guān)管電壓的緩沖，從而實現(xiàn)軟開關(guān)[11-13]。

本文首先在不同頻率條件下對S.E.L元件的負(fù)載特性進(jìn)行分析，找到最優(yōu)升壓頻率。結(jié)合其高阻抗負(fù)載特性，對帶軟開關(guān)Boost電路及E類逆變器工作過程進(jìn)行分析，并對電路參數(shù)進(jìn)行設(shè)計。最后通過實驗驗證理論分析的準(zhǔn)確性及可行性。

1 新型發(fā)光元件阻抗特性分析

S.E.L元件采用雙導(dǎo)電層激發(fā)發(fā)光層的結(jié)構(gòu)。熒光體粉末母體材料為ZnS，在ZnS顆粒內(nèi)沿線缺陷會有Cu析出，形成電導(dǎo)率較大的CuxS，CuxS與ZnS形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在高電壓條件下，熒光粉發(fā)光層晶體中的電子被加速，達(dá)到較高能量級別，并與發(fā)光中心碰撞離化。當(dāng)受激的發(fā)光中心退回到基態(tài)或電子與空穴復(fù)合時，高速電子釋放出的能量以光子形式發(fā)出而實現(xiàn)S.E.L元件發(fā)光。為實現(xiàn)S.E.L元件的持續(xù)發(fā)光，發(fā)光中心須不斷接受高頻高電壓刺激，從而使其能在進(jìn)入基態(tài)后再次進(jìn)入激發(fā)態(tài)，持續(xù)釋放大量光子達(dá)到穩(wěn)定發(fā)光的目的。

一般S.E.L元件發(fā)光電壓大于135 V，電壓頻率在700 Hz以上。由于交通標(biāo)識體積限制，裝配鋰電池數(shù)量有限，電池輸出電壓不超過20 V。常規(guī)升壓逆變拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)復(fù)雜且變壓器體積過大導(dǎo)致驅(qū)動器裝配困難。諧振變換器由于其高效、高功率密度及變換拓?fù)浜唵味鴱V泛適用于高頻逆變的應(yīng)用場景。而S.E.L元件由于其特殊發(fā)光條件及發(fā)光特性，在不同頻率條件下將表現(xiàn)出不同的負(fù)載特性，這將對變換器工作狀態(tài)產(chǎn)生較大影響。

為獲得S.E.L元件不同頻率下負(fù)載特性，本文通過阻抗分析儀對其進(jìn)行測試，測試頻率范圍為10～60 kHz，為簡化電路設(shè)計及分析，測試中對元件負(fù)載等效為電阻Req、電感Ceq及Leq串聯(lián)，等效電路如圖1所示，測量結(jié)果如圖2所示。

圖1 負(fù)載等效電路模型Fig.1 Equivalent circuit model of load

圖2 負(fù)載特性分析Fig.2 Analysis on the characteristics of the load

圖2a為S.E.L元件等效電阻隨頻率變化特征。當(dāng)頻率為60 kHz時，其等效電阻為14.7 Ω，隨著頻率下降，其電阻值增速加快，在輸入頻率為10 kHz時，電阻取值為20.5 Ω。圖2b為S.E.L元件等效電容隨頻率變化特征。隨著頻率下降，電容取值上升。在60 kHz時，電容取值101.7 nF，在10 kHz時，電容取值113.5 nF。圖2c為不同頻率條件下等效電感取值。當(dāng)頻率為60 kHz時，電感取值為170 μH，隨著頻率下降，電感取值上升速度加快，在頻率為60 kHz時，等效電感為4 350 μH。

由于負(fù)載特性隨頻率動態(tài)變化較大，升壓驅(qū)動電源設(shè)計的難度較大。其設(shè)計必須綜合考慮不同頻率時新型發(fā)光元件的發(fā)光條件和負(fù)載特性。

2 級聯(lián)型升壓逆變拓?fù)?/h2>

由上節(jié)分析可知，由于頻率對發(fā)光元件負(fù)載特性的影響，一種輸出諧波含量低、逆變頻率高的高升壓比逆變器的設(shè)計成為必然。結(jié)合上述特性，本文提出一種級聯(lián)型高頻升壓軟開關(guān)逆變器，如圖3所示。

圖3 驅(qū)動電路系統(tǒng)拓?fù)銯ig.3 The topology of driving circuit system

為簡化分析過程，作出如下假設(shè)：

1）扼流電感LRFC1和LRFC2電感值足夠大，其輸出可等效為理想電流源且其電阻為零，因此扼流圈上的直流電壓降為零。

2）濾波電容 Cf足夠大，Boost輸出電壓VCf可視為恒定不變。

3）并聯(lián)電容C1、串聯(lián)諧振電感L1及并聯(lián)電容C為線性。

4）兩級電路MOSFET的導(dǎo)通電阻為零，且導(dǎo)通及關(guān)斷均在瞬間完成。

5）負(fù)載電阻包含串聯(lián)諧振電路的寄生電阻。

6）串聯(lián)輸出諧振電路的負(fù)載品質(zhì)因數(shù)足夠高，因此可以將輸出電流視為正弦波。

2.1 原理及工作特性分析

2.1.1 Boost軟開關(guān)工作狀態(tài)分析

圖4為帶軟開關(guān)Boost型電路模型。其與E類逆變器類似，通過與開關(guān)管S1并聯(lián)電容C1實現(xiàn)對開關(guān)管電壓上升率的限制。而當(dāng)開關(guān)管S1斷開時，電容C1與電感L1及負(fù)載Reqp1構(gòu)成振蕩回路，實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓導(dǎo)通。

圖4 帶軟開關(guān)Boost電路模型Fig.4 Circuit model of the Boost topology with soft switching

根據(jù)開關(guān)管S1工作狀態(tài)及二極管導(dǎo)通條件，帶ZVS型Boost電路工作在如圖5所示的四個模態(tài)。

圖5 帶ZVS型Boost變換器四種工作模態(tài)Fig.5 Four operating modes of Boost converter with ZVS

在一個工作周期中，開關(guān)管S1工作于兩個工作狀態(tài)。在開關(guān)管S1關(guān)斷瞬間，并聯(lián)電容C1電量為零，電容C1相當(dāng)于短路，電源向電容充電。由于二極管存在導(dǎo)通壓降，此時二極管未導(dǎo)通。由于電容Cf充分大，在此期間，電容Cf持續(xù)向負(fù)載Reqp1供電。

當(dāng)電容C1持續(xù)充電到二極管兩端電壓大于其導(dǎo)通壓降時，二極管導(dǎo)通，流過電感L1的電流上升，并聯(lián)電容C1先充電，再放電到電壓為零。

當(dāng)并聯(lián)電容C1電壓為零時，開關(guān)管S1導(dǎo)通，此時電源被開關(guān)管S1短路，電感L1經(jīng)開關(guān)管S1繼續(xù)放電到電流為零。由于二極管單向?qū)щ娦裕陂_關(guān)管S1再次關(guān)斷前，電感L1上電流持續(xù)為零。在一個周期內(nèi)，開關(guān)管S1電壓、并聯(lián)電容電流及電感電流波形如圖6所示。

圖6 帶ZVS型Boost變換器工作波形Fig.6 Working waveforms of Boost converter with ZVS

2.1.2 E類逆變器軟開關(guān)工作狀態(tài)分析

圖7為E類逆變器簡化模型。其采用諧振逆變拓?fù)?，由于扼流電感作用，其拓?fù)淇煽醋麟娏餍湍孀兤?，輸出電流取值取決于負(fù)載端電阻值?？紤]到S.E.L元件負(fù)載特征，充分利用目標(biāo)頻率條件下高阻抗特性，可起到有效升壓作用。

圖7 E類逆變器電路模型Fig.7 Circuit model of class E inverter

根據(jù)開關(guān)管S2的工作狀態(tài)，E類逆變器可工作在圖8兩個模態(tài)。

圖8 E類逆變器兩種工作模態(tài)Fig.8 Two operating modes of class E inverter

當(dāng)S2關(guān)斷瞬間，電容電壓為零，此時電容瞬間導(dǎo)通，阻抗趨于零。進(jìn)一步負(fù)載支路中電容C2、電感L2與并聯(lián)電容C構(gòu)成新的震蕩回路。在半個開關(guān)周期后，并聯(lián)電容C電壓重新為零，S2導(dǎo)通。

S2導(dǎo)通后，并聯(lián)電容被短路，負(fù)載支路中L2，C2通過S2構(gòu)成新的震蕩支路。S2電壓、驅(qū)動信號及輸出電流如圖9所示。

圖9 E類逆變器工作波形Fig.9 Working waveforms of class E inverter

2.2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

結(jié)合上述分析，對系統(tǒng)拓?fù)溥M(jìn)行參數(shù)設(shè)計。參數(shù)設(shè)計分為帶軟開關(guān)型Boost電路及E類逆變器兩級。參數(shù)設(shè)計前，已知輸入電壓Vin，前級DC-DC升壓比為k1，開關(guān)管S1工作頻率f1，前級輸出電壓k1Vin，E類逆變器開關(guān)管S2工作頻率f2，輸出電壓Vout，輸出電壓頻率fvo，輸出功率Pout，逆變器品質(zhì)因數(shù)設(shè)定為Q。

2.2.1 帶軟開關(guān)型Boost電路參數(shù)設(shè)計

2.2.2 E類逆變器參數(shù)設(shè)計

圖7中，在一個工作周期T內(nèi)，為獲得最大基頻輸出，逆變器開關(guān)管S2占空比選擇為50%。參數(shù)的設(shè)計在標(biāo)稱條件下進(jìn)行，即電路工作在最優(yōu)狀態(tài)下。電容Cf選擇主要是控制輸出的紋波在指標(biāo)規(guī)定的范圍內(nèi)，已知Boost輸出側(cè)直流輸入電壓k1Vin及負(fù)載RS.E.L，根據(jù)需求設(shè)定電容Cf的電壓VCf、開關(guān)管S2工作頻率f2及負(fù)載品質(zhì)因數(shù)Q。

3 實驗驗證

根據(jù)圖3所示系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為驗證本文所提拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效性，搭建實驗樣機。

實驗樣機系統(tǒng)中Boost電路中開關(guān)管S1采用RCX450場效應(yīng)管作為主功率管，E類逆變器中開關(guān)管S2采用IRF740作為主功率管。

實驗樣機的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如下：Vin=11.5 V，LRFC1=680 μH，Cf=100 μF，L1=170 μH，C=1 330 nF，f1=10 kHz，fvo=25 kHz，LRFC2=680 μH，C1=4 730 nF，C2=76 nF，L2=946 μH，Q=9，f2=25 kHz。

圖10為在Boost電路開關(guān)管S1頻率f1為10 kHz時，開關(guān)管電壓波形及其驅(qū)動信號。圖11為Boost電路輸入、輸出電壓。

圖10 Boost電路開關(guān)管電壓波形Fig.10 The waveforms of Boost circuit switching tube voltages

圖11 輸入電壓及Boost輸出電壓波形Fig.11 Voltage waveforms of input voltage and Boost output voltage

由圖10、圖11可以看出，Boost電路可對輸入電壓進(jìn)行2.5倍有效升壓且此時，升壓變換器可實現(xiàn)ZVS狀態(tài)。在室內(nèi)溫度25℃條件下，采用FLUK VT02紅外測溫儀測量，開關(guān)管穩(wěn)定工作時溫度恒定在35℃。

圖12為開關(guān)管S2在工作頻率f2為25 kHz時，其漏源極電壓及驅(qū)動信號波形圖。此時，經(jīng)阻抗分析儀測量可得S.E.L元件等效電容、電感及電阻測量值分別為109.73 nF，0.739 mH及16.542 Ω，開關(guān)管恒定工作在ZVS狀態(tài)。開關(guān)管穩(wěn)定工作時，同樣的測溫條件下溫度恒定在45℃。

圖12 E類逆變器開關(guān)管電壓波形Fig.12 Voltage waveforms of the E-class inverter switch tube

圖13為系統(tǒng)輸入直流電壓及負(fù)載兩端交流電壓波形圖。直流輸入11.4 V，負(fù)載兩端交流電壓為160 V，頻率fvo為25 kHz，升壓比達(dá)到14。

圖13 輸入電壓及輸出交流電壓波形Fig.13 Voltage waveforms of the input and output of the system

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于Boost-class E變換器的高升壓比高頻S.E.L驅(qū)動電源。

在對S.E.L負(fù)載特性充分分析的基礎(chǔ)上，提出將帶軟開關(guān)的Boost電路與E-class逆變器級聯(lián)的變換拓?fù)?，在保證兩級變換器都工作在軟開關(guān)的同時，實現(xiàn)對低壓直流的有效逆變升壓。

實驗結(jié)果表明，當(dāng)輸入電壓為11.4 V直流時，逆變輸出電壓為160 V，頻率fvo為25 kHz，升壓比達(dá)到14，穩(wěn)定工作時，兩級主功率管溫度分別為35℃，45℃。