CLCL谐振软开关DC_AC变换器_王议锋

io 降为零， u Ls 上升到正向峰值。 阶段 6[ t5～ t6]：t5 时刻 io 从零开始正向增大，t6 时刻 iCp 减小为零，且 u Cp 达到正向峰值。L r 持续放 电， L s 和 Cr 则持续充电。 阶段 7[ t6～ t7]： t6 时刻 Cp 开始放电，到 t7 时刻 Q 1 关断。此过程 L r 持续放电，L s 和 Cr 则持续充电。 阶段 8[ t7～ t8]：t7 时刻 Q 1 关断，Cds1 开始充电。 直到 t8 时刻 Q 2 导通。Cr 充电结束，u Cr 达到最大值。 阶段 9[ t8～ t9]：t8 时刻 Q 2 导通，Cds2 通过 Q 2 瞬 间放电。 u Lr 骤减至负向峰值， iin 减小为零，而后 Cr 开始放电， L r 开始充电。到 t9 时刻 L s 充电完成， io 达到正向峰值。此过程中 Cp 持续放电。 阶段 10[ t9～ t10]：t9 时刻 L s 开始放电，io 开始正 向减小。直到 t10 时刻 Cp 放电完成。此过程中 Lr 持 续充电， Cr 则持续放电。 阶段 11[ t10～ t11]：t10 时刻 Cp 开始反向充电，L r 持续放电直到 t11 时刻 u Lr=0 ， 此时 iin 达到负向峰值。
2
2.1
变换器原理分析
系统分析 新型 CLCL 谐振变换器电路拓扑如图 1 所示。
Q 1 和 Q 2 为半桥的两个开 U bus 为直流输入母线电压， 关管， Cds1 和 Cds2 为开关管的寄生电容。 图 1 的谐振网络可以使用基波简化分析方法得 到图 2 所示的等效电路。可以看出，新型 CLCL 型谐 振变换器比传统 T 型变换器增加了谐振电容 Cr。
Fig.2 图2 CLCL 型谐振变换器等效电路图 Equivalent circuit for the CLCL resonant converter 图1 Fig.1 新型半桥 CLCL 谐振软开关变换器
Proposed half bridge soft-switching converter
本文所提出的多阶谐振变换器设计要求如下： （ 1 ） HPS 灯启动要求，包括谐振器件的取值 范围及耐压值的选取。 （ 2 ）稳态额定负载时的 ZCS 要求。 （ 3 ）老灯负载时的功率控制要求。 （ 4 ）感性区工作要求，包括 R 不变调节输出 功率和输出功率不变而 R 变化两种情况。 （ 5 ）器件上电压应力的要求，降低谐振器件损 耗和减少其电压击穿的可能性。 其中， “老灯”负载是指等效阻抗随灯老化过程 而增大后的灯负载。 2.2 电路工作模态分析 为了方便电路分析，在一个周期内，将该电路 分为 14 个阶段，其各个阶段的等效电路如图 3a～ 3n 所示，相应的谐振网络主要波形如图 4 所示。
第 28 卷第 4 期
王议锋 等
CLCL 谐振软开关 DC-AC 变换器
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图3 Fig.3
所提出的 CLCL 谐振变换器各个工作状态的等效电路
Equivalent circuits of the operation stages for the proposed CLCL soft-switching converter
1
引言
大功率（＞ 600W ）高压钠灯（ HPS ）在景观照
左右，传统的电子镇流器采用硬开关电路拓扑，在 大功率应用场合，存在效率低、发热严重、可靠性 低和电磁干扰（ EMI）严重等一系列问题。 两级式电子镇流器因其高效率、高功率因数及 低谐波（ THD ）而被普遍采用。其前级的有源功率 因数校正器（ APFC）目前已有较成熟的解决方案。
Rated condition waveforms of the proposed
阶段 1[ t0～ t1]： t0 时刻 Q2 关断， Cds2 充电， A 点电压线性上升，L r 电压跟随上升，直至 Q 1 导通 A 此时 L r 、 Cr 和 Cp 放电， L s 充电。 点电压骤升至 U bus。 阶段 2[ t1～ t2]：t1 时刻 Q 1 导通，Cds1 通过 Q 1 瞬 间放电， u Cr 也降至最小值。然后电容 Cr 和 L r 开始 充电， u Lr 随着 Cp 放电而下降， L s 继续充电直到 io 在 t2 时刻达到最大值，此时 u Ls=0。 阶段 3[ t2～ t3]： t2 时刻 Ls 开始放电。此过程中 io 开始反向减小。 Cp 持续放电直到 t3 时刻 u Cp 降为 零。 阶段 4[ t3～ t4]： t3 时刻 Cp 开始充电， Lr 持续充 电直到 t4 时刻 u Lr 降为零，此时 iQ1 和 iin 为最大值。 阶段 5[ t4～ t5]： t4 时刻 L r 开始放电。此过程中 L s 则持续放电直到 t5 时刻 Cr 和 Cp 充电且电压上升，
A CLCL resonant DC-AC converter was investigated in this paper, which is used for
high-power high-pressure-sodium lamps(HPS lamps). Zero-voltage and zero-current switching(ZVZCS) and sine-waveform were achieved by working on the resonant point. The working principle for the new circuit was presented, based on the soft switching conditions for the converter switching. An optimization design method was investigated in this paper, which ensures the minimum voltage stress of the resonant components in ZVZCS condition. The theoretical analysis and the simulation were presented based on the newly designed circuit. The analysis and simulation results show that all the switching were working on ZVZCS condition. At the same time, the output current had a sine waveform, which efficiently reduced the crest factor of the current and prolonged the life of the lamp. A DC-AC resonant converter was designed with 400V input, 100V/10A output, and 260kHz switching frequency. The experimental results verified the design method of the quality factor is rational, and the full load efficiency of the converter can achieve 99.1%. Keywords： Resonant inverter, soft switching, ZVZCS, electronic ballast
图4 Fig.4 CLCL 变换器的额定工作点波形 converter
此过程中 L s 持续放电。 阶段 12[ t11～ t12]：t11 时刻 L r 开始放电，t12 时刻 io=0 ，且 u Ls 达到负向峰值。此过程 L s 和 Cr 持续放 电。 t12 时刻 i o 从零开始反向增加， 阶段 13[ t12～ t13]： L s 开始充电，直到 t13 时刻 Cp 充电电流减小为零， 且 u Cp 达到负向峰值。此过程 L r 和 Cr 持续放电。 阶段 14[ t13～ t14]：t13 时刻 Cp 开始正向充电，此 过程中 L r 和 Cr 持续放电， L s 则持续充电。直到 t14 时刻 Q 2 关断，开始进入下一个开关周期循环。
明、机场、码头照明和温室照明等特殊场合有着广 泛地应用 [1]。由于 HPS 灯的工作电压大多在 100V
收稿日期 2012-03-08 改稿日期 2012-05-13
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电 工 技 术 学 报
2013 年 4 月
但后级半桥或全桥 DC-AC 变换器仍工作在硬开关 状态 [2-7] ，在高频大功率应用时损耗大， EMI 严重。 文献 [1]提出一种 600W HPS 灯用四相 LCp 变换 器方案，其满载效率达到 94% 。文献 [8] 采用五相 其最高效率为 93%。 LCsCp 变换器驱动 1kW HPS 灯， 这两种结构均为并联移相控制，可降低开关管通态 损耗并有利于器件散热。但由于开关损耗的增加， 变换器效率没有提升，使控制回路变得更加复杂。 软开关技术可有效降低开关损耗和 EMI [9] ，提 高变换器工作频率从而减小其体积。 PWM 电路中 实现软开关的方法主要有两种 [9] ：辅助谐振网络型 软开关 [10-13] 和控制型软开关 [14-16] 。 传统的 T 型（ LCL 型） DC-AC 谐振变换器常 可实现开关管 ZVS 或近似 用于感应加热领域 [17,18] ， ZCS 以及较平滑的输出。文献 [19,20]将 T 型谐振电 路应用于电子镇流器中，在频率变化小于 30kHz 时 实现了 50%的调光控制，但文献没有讨论该拓扑的 软开关特性， 实验波形表明样机工作于硬开关模式。 本文在已有研究基础上，提出一种新型 CLCL DC-AC 变换器，通过增加谐振电容 Cr 并优化参数， 实现零电压、零电流开关及正弦波输出。使用迭代 算法保证谐振器件上的电压应力最优。最后在 1kW 高压钠灯电子镇流器样机上进行实验验证。
2013 年 4 月 第 28 卷第 4 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.28 Apr.
No. 4 2013
CLCL 谐振软开关 DC-AC 变换器
王议锋
1
徐殿国
2
王懿杰
Biblioteka Baidu
2
王斌泽
天津 哈尔滨
2
张相军
300110 150001）
Zero-Voltage and Zero-Current Resonant CLCL DC-AC Converter
Wang Yifeng 1 Xu Dianguo 2 Wang Yijie2 Wang Binze2 300110 Harbin 150001 Zhang Xiangjun 2 China China） （ 1. Tian Jin University Tian Jin 2. Harbin Institute of Technology Abstract
2
（ 1. 天津大学电气与自动化工程学院 2. 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 摘要
针对大功率高压钠灯（ HPS ）电子镇流器的低电压大电流输出需求，本文提出一种
CLCL 谐振变换器，通过谐振实现零电压零电流开关（ ZVZCS）及正弦波输出。根据变换器开关 管实现软开关的条件，阐述了新电路的工作原理。提出了一种新的电路参数优化设计方法，使得 ZVZCS 条件下谐振器件上的电压应力最低。对新电路进行了理论和仿真分析。理论和仿真结果表 明，新电路的开关管工作在零电压零电流或者准零电流开关状态。同时，输出端的电压、电流波 形为正弦波， 有效降低负载电流的波峰系数， 延长负载使用寿命。 研制了一台 400V 输入， 100V/10A 输出，开关频率为 260kHz 的 DC-AC 变换器样机。用来表明上述软开关实现策略的正确性，其最 高满载效率可达 99.1%。 关键词： 谐振逆变器 中图分类号： TM464 软开关 零电压零电流开关 电子镇流器