改进混合式箝位型三电平降压升压LED驱动电路的研究.pdf
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1、第 卷第期 年月信 息 化 研 究 改进混合式箝位型三电平降压升压 驱动电路的研究毛竹(卡任特照明(上海)有限公司,上海,)摘要:照明驱动变换器主要是降压或升压逆变电路,基于降压升压逆变电路最通用的是 或 等逆变电路,这些电路通常为低电压输入,小功率应用。然而对于高电压输入,大功率 驱动逆变器而言,元器件的耐压应力就有较大的影响,对此还没有发现比较好的解决方法。文章把通用的混合式箝位型三电平通过一系列电路的优化成改进的混合式箝位型三电平,与电感元器件结合成为降压电路,再增加功率开关管成为升压电路。改进混合式箝位型三电平降压升压电路,功率器件是混合式箝位型的一半,而且控制电路也变得简单。从仿真和
2、实际测试数据可以看出,功率元器件的耐压应力得到了极大的改善。关键词:混合式箝位型三电平;开关管;降压电路;升压电路;逆变器;驱动。中图分类号:收稿日期:引言能源的短缺和环境的污染是人类当前面临的共同问题,能源危机和环境问题的严重性已经引起了世界各国对节能技术的广泛关注。其中照明用电占有全球较大的用电比重,节能潜力巨大,绿色照明成为共识。成为当前绿色照明的最主要的新型发光介质,用以驱动 的高频变换器是实现绿色照明的重要手段。特别是在工业照明中,为了减少线路的损耗,通常输入的电压非常高。对于照明行业来说,已经在节能领域得到了很好的应用。对于高电压、大功率的 驱动,就需要大功率、高耐压的器件。但是大
3、功率、高耐压的器件对于 驱动,成本相对较高,而且交货的周期长。如果把高压的部分器件用多个低压器件的串联实现,这样就解决了高压器件的问题,同时也解决了因高压的带来的电磁干扰问题,这就用到三电平。现在 驱动应用主要是基于通用两电平的逆变器拓扑电路,如降压 拓扑电路,或者是降压升压如 等拓扑电路,这些电路输出为恒定幅值的 波,若电源是,那么只有和 输出两种电平。但是这些电路的一个比较大的缺点是对于高压输入,功率开关器件必须是耐高压的,而且对于器件的高压应力要求非常高,成本也很高。然而三电平能够解决功率开关器件的耐压应力问题。三电平通常有二极管箝位式 ,其缺点是箝位二极管将承受不同的反压,开关器件所需
4、的电流也不同。还有电容箝位式 ,其缺点是控制较为复杂。因为以上三电平缺点,有的学者提出将二极管箝位和电容箝位相结合,就成为混合式箝位型三电平 。通用混合式箝位型三电平开关管比较多,控制也比较复杂,不适合于直接用于降压升压 照明驱动电路。本文提出对通用混合式箝位型三电平进行一个改进,再结合降压升压电路就成为改进混合式箝位型三电平。应用这种降压电路,功率开关器件少,控制简单。通过 仿真证实改进方案满足要求,功率开关元器件电压应力得到了改善,同时在实际的 驱动应用中也得到了验证。通用混合式箝位型三电平电路变换器基本原理通用混合式箝位型三电平的电路拓扑结构如图所示,从图可以看出,功率开关器件 和 串联
5、以及 和 串联,输入电源的高压分别加在两只开关器件上,这样串联的两只开关器件电压应研究与设计信 息 化 研 究 年月力分别是输入电压的一半。如表所示。图通用混合式箝位型三电平电路表混合式箝位型三电平结构和输出电平的关系输出电平 由图可以看出,输出有个电压、。其桥臂电路处于稳态的工作状态,电流从三电平流向负载分为种情况:工作模式一。开关管 和 同时导通时,和 同时关断,若电流从三电平流向负载,即从 点径由 和 到达输出端,忽略 和 的正向导通压降,输出端的电位等同于。模式二。若开关管 和 同时导通,和 同时关断,若电流从三电平流向负载,即从 经过 和 到达输出端,即输出端的电压是。模式三。若开关
6、管 和 关断,和 开通,则电容和的电流流向负载,此时的输出电压是。改进的混合式箝位型三电平变换器 通用的混合式箝位型三电平的改进根据上面通用混合式箝位型三电平的讨论,有只功率开关管需要控制,而且控制电路也是非常复杂的;对于 驱动这样小型的设备,也没有合适的驱动芯片作为驱动,也不适合于驱动 ,因此这就需要对现有的通用混合式钳位型三电平进行改进。首先来讨论上面通用混合式箝位型三电平的模式一,功率开关管 和 保持不变,续流二极管 和 也保持不变,这样电流的流向是从三电平流向负载的。即开关管 和 同时导通时,电流从三电平流向负载,即从 点径由 和 到达输出端,此时负载电压为。若开关管 和 同时关断;和
7、 同时开通,如上述模式二;和 同时开通,和 同时关断,如上述模式三。如果没有开关管 和,而只有续流二极管 和,这样电路和控制都变得简单。改进混合式箝位型三电平电路的拓扑结构如图所示。其工作模式与通用混合式箝位型三电平的工作模式二和模式三都不一样。也就是说,在上述模式一工作条件下,即开关管 和 导通的条件下,电源 电流从流向负载。如果工作在上述模式二条件下,即开关管 和 关断,因为改进的混合式箝位型三电平没有开关管 和,只有续流二极管 和。此时只有电感性的负载才有可能电流从 经过续流二极管 和 到达输出端,即输出端的电压是,但是这个电流是从 经 和 流到,和模式二的电流从 和 流到 方向相反的,
8、因此不是模式二的工作模式,但是这正好满足了输出降压升压要求。图改进混合式箝位型三电平 改进的混合式箝位型三电平的降压升压电路根据降压升压电路的原理,这里需要增加一个电感 和开关管,这个开关管 主要是升压功能的。电路的设计如图所示。图混合式箝位型三电平的降压升压电路第 卷第期毛竹:改进混合式箝位型三电平降压升压 驱动电路的研究研究与设计从图的拓扑结构来看,增加了储能电感,续流二极管 ,和开关功率管 。从这个图上看,开关管 和 以及续流二极管 和 是降压的拓扑结构,开关管 和续流二极管 是升压的拓扑结构。这就是改进的混合式箝位型三电平,通过电感变换成所需的降压和升压电路。该拓扑电路基本的工作原理是
9、:改进的混合式箝位型三电平在降压升压变换器功能特性上有变化,变换器既是降压变换器,也可以是升压反激式变换器,完全取决于输入电压比输出电压高还是低。这种电路最大的特点就是这个转换是自动完成的,没有外加的转换控制。降压升压变换器中,开关管、,要么同时导通,要么同时关断。开关管 因为和 串联,考虑到三电平电压的均衡关系,关断的时序有所不同。首先考虑第一种情况,即输入电压高于输出电压,即 高于。上面两只开关 和 的作用和降压开关一样,阳极接地的二极管 和 作续流二极管。下面的开关 与上面的开关 和 同时开通,全部输入电压加在电感两端,电流上升。开关关断时,电流转换到阳极接地的二极管 和 上,另一个二极
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