基于高功率因數(shù)混合型變換器的爆閃式信號(hào)燈設(shè)計(jì)*

王志凱，張 源，金永鎬

(延邊大學(xué) 工學(xué)院，吉林 延吉 133002)

0 引言

爆閃燈能夠在短時(shí)間內(nèi)發(fā)出強(qiáng)光，具有很好的警示作用，因此廣泛應(yīng)用于特種車輛(工程車、警車、消防車等)、道路交通、航空指示、工業(yè)生產(chǎn)等場(chǎng)合，最大限度避免了各種事故的發(fā)生[1-2]。

目前使用最廣泛的110 V/220 V 交流爆閃燈，采用電容降壓模式和帶變壓器的反激式變換器設(shè)計(jì)。電容降壓式交流爆閃燈的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，因此得到了廣泛的應(yīng)用，但存在無(wú)法升壓、功率因數(shù)低、無(wú)限幅電壓功能、受50 Hz/60 Hz 頻率的影響較大，且降壓用無(wú)極性電容體積大等缺點(diǎn)[3]。

帶變壓器的反激式變換器能進(jìn)行升壓、降壓，但同樣存在開(kāi)關(guān)管承受的反向電壓過(guò)大，變壓器體積大不利于產(chǎn)品的小型化，且無(wú)功率因數(shù)調(diào)整功能等缺點(diǎn)[3-4]。

鑒于上述問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種基于高功率因數(shù)[3]混合型變換器的交流爆閃燈，利用單級(jí)變換器進(jìn)行升降壓的同時(shí)提高功率因素，且開(kāi)關(guān)管承受的反向電壓近似等于輸入、輸出電壓中的較大者，因此特別適合于用在輸出電壓高的場(chǎng)合，且能工作在交流輸入電壓UAC為80～250 V寬電壓范圍，從而替代110 V/220 V 的2 種產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的單一化，擴(kuò)寬使用范圍，產(chǎn)品便于維護(hù)管理，提高管理效率。

1 交流爆閃燈工作原理及存在問(wèn)題

1.1 現(xiàn)有的交流爆閃燈工作原理分析

圖1 為爆閃燈工作時(shí)波形，變換器利用輸入電壓以恒流方式在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)(0.8～1.5 s 可設(shè)定)給47～220 μF的高壓儲(chǔ)能電容充電，當(dāng)充電電壓UC達(dá)到設(shè)定值時(shí)(250～350 V 可設(shè)定)，發(fā)出觸發(fā)脈沖則通過(guò)觸發(fā)線圈產(chǎn)生5 000 V 以上的高壓，觸發(fā)頻閃管，則頻閃管兩端電阻變成低阻抗，在0.5～1.5 ms 很短的時(shí)間內(nèi)把儲(chǔ)能電容上的電能放電發(fā)出強(qiáng)光[4]。

圖1 頻閃管工作波形圖

220 V 用產(chǎn)品的工作電壓UAC范圍通常要求180～250 V，則整流后的峰值電壓范圍為255～355 V。

1.2 電容降壓式爆閃燈存在問(wèn)題

電容降壓式爆閃燈的簡(jiǎn)化電路如圖2 所示，交流電壓通過(guò)C1降壓、限流后經(jīng)過(guò)橋式整流后給儲(chǔ)能電容C2充電，因此這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定，但功率因數(shù)只有0.5 左右，受50 Hz/60 Hz 頻率的影響較大[5]。

圖2 電容降壓式爆閃燈簡(jiǎn)化電路

由于這種電路只能降壓，當(dāng)儲(chǔ)能電容充電電壓要求300 V 時(shí)，無(wú)法用220 V 交流電壓工作，只能設(shè)計(jì)出儲(chǔ)能電容充電電壓UC=250 V 的場(chǎng)合，且產(chǎn)品的工作電壓范圍為200～250 V 受到限制。

1.3 帶變壓器的反激式變換器組成的爆閃燈存在問(wèn)題

帶變壓器的反激式變換器，通過(guò)變壓器隔離輸入和輸出，因此能進(jìn)行升壓、降壓，但工作時(shí)開(kāi)關(guān)管承受的反向電壓為輸入電壓Ui加上變壓器初級(jí)的電壓若變壓器變比為1:1，UC=350 V 時(shí)UT=350 V。

當(dāng)輸入電壓UAC為180～250 V 時(shí)，則峰值電壓范圍為255～355 V，則開(kāi)關(guān)管承受的最大反向電壓為Ui+UT=705 V，加上反激時(shí)產(chǎn)生的尖脈沖電壓，反向電壓過(guò)高容易擊穿額定反向電壓為800 V 的開(kāi)關(guān)管。

為了減少反向電壓，如果采用變比為2:1，則開(kāi)關(guān)管承受的最大反向電壓下降到Ui+UT=530 V，但變換器的充電功率下降。

1.4 用SEPIC 變換器組成的爆閃燈存在問(wèn)題

SEPIC 變換器利用電感可進(jìn)行升壓、降壓，但其工作原理與帶變壓器的反激式變換器一樣[9，11-12]，且無(wú)法調(diào)節(jié)變比，當(dāng)設(shè)計(jì)UC=350 V，輸入電壓為220 V 的產(chǎn)品時(shí)最大反向電壓為Ui+UT=705 V。因此通常利用這種電路設(shè)計(jì)出110 V 產(chǎn)品。

2 利用高功率因數(shù)混合變換器的爆閃燈

2.1 混合型變換器的工作原理

圖3 為混合型變換器的電路模型，周期為T、占空比為D 的脈沖電壓UP經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器U1、U2后控制開(kāi)關(guān)S1、S2 工作。

圖3 混合型變換器的電路模型

圖4 為導(dǎo)通和斷開(kāi)時(shí)工作分解圖，S1、S2 導(dǎo)通時(shí)電感L 的極性為上正下負(fù)，因此二極管D1、D2 截止，Ui經(jīng)過(guò)電感L 產(chǎn)生IL。

圖4 導(dǎo)通和斷開(kāi)時(shí)工作分解圖

當(dāng)S1、S2 截止時(shí)L 的極性翻轉(zhuǎn)，D1、D2 導(dǎo)通電感的電壓UL≈UC，電感L 的電流提供給C 和負(fù)載RL。因此S1 承受的反向電壓為Ui，S2 承受的反向電壓為UC，因此這種電路特別適合用在輸出電壓高的場(chǎng)合。

由于輸出電壓UC≈UL，而UL的大小取決于電感儲(chǔ)存的能量，和負(fù)載RL有關(guān)，因此可進(jìn)行升壓、降壓變換。從圖4 中可以看出S1、L、D1 組成Buck 變換器，S2、L、D2 組成BOOST 變換器。

當(dāng)變換器工作n 次后UC穩(wěn)定在某一個(gè)值時(shí)求輸出電壓。ton時(shí)UL≈Ui，而toff時(shí)UL≈UC，根據(jù)伏秒值關(guān)系可得式(1)，可見(jiàn)D 改變時(shí)輸出電壓具有升降壓特性。

爆閃燈中應(yīng)用的是變換器工作n 次后達(dá)到UO的過(guò)程，設(shè)每個(gè)周期電感儲(chǔ)存的能量全部傳送到電容，則Ui不變時(shí)電感電流代入后可得式(2)。

2.2 高功率因數(shù)混合型變換器工作原理

圖5 為NCP5181 組成的占空比可調(diào)電路圖，NCP5181內(nèi)有2 個(gè)驅(qū)動(dòng)器U1、U2，工作電壓為8～20 V，內(nèi)有20 V 穩(wěn)壓管，工作電流約為0.35 mA[13-14]。U1、U2的輸入端具有施密特輸入特性，超過(guò)2 V 時(shí)輸出高電平，低于1 V 時(shí)輸出低電平。

圖5 NCP5181 組成的占空比可調(diào)電路圖

圖6 為工作時(shí)序圖，UA為占空比D=5%的窄脈沖，經(jīng)過(guò)D0給C0迅速充電，則C0的電壓大于UH驅(qū)動(dòng)器U1、U2輸出高電平，開(kāi)關(guān)S1、S2 同時(shí)飽和。C0的電壓可通過(guò)R0和Q0放電，當(dāng)UG小于Q0的開(kāi)啟電壓UTH時(shí)(UTH=2 V)，Q0截止只通過(guò)R0放電，產(chǎn)生最大的占空比D1，當(dāng)UG大于UTH時(shí)Q0開(kāi)始導(dǎo)通進(jìn)行放電，產(chǎn)生D1、D2 等不同的占空比。UG越大放電速度越快D 越小。

圖6 工作時(shí)序圖

為了獲得高功率因數(shù)變換，采用占空比控制電感電流開(kāi)關(guān)的方法，而不是檢測(cè)電感電流。圖7 為工作原理示意圖。Ui為全波整流后正弦波的半波電壓，每個(gè)高頻周期T 內(nèi)按占空比D 進(jìn)行開(kāi)關(guān)后得到不同的峰值電流IP?？梢?jiàn)電感電流的平均值很好地跟蹤輸入電壓波形，因此功率因數(shù)很高。

圖7 固定占空比時(shí)電感電流示意圖

交流電的Ui=Umsin(ωt)、頻率f=50 Hz 時(shí)Ts=10 ms，電感L 取1 mH。變換器工作頻率50 kHz 時(shí)T=20 μs，則電感的峰值電流IP取決于式(3)，整理后可得式(4)。

式中Tn=nTs/T，n 的取值范圍為0～500。由于Ui改變因此每個(gè)(Tn+1-Tn)=T 時(shí)間段內(nèi)積分的三角波電感電流的斜率是非線性的，但T=20 μs 很小，Ui變化量不大，因此近似為線性處理。則電感的峰值電流IP的平均值為IL=把式(2)代入后可得式(5)。

圖8 為D 分別取25%、15%、Um=311 V 時(shí)，利用式(5)仿真的IP和IL波形圖?？梢?jiàn)D 不同時(shí)IP和IL按正弦波規(guī)律變化。

圖8 D 不同時(shí)IP 和IL 波形圖

2.3 高功率因數(shù)混合型變換器電路設(shè)計(jì)

高功率因數(shù)混合型變換器電路如圖9 所示。單片機(jī)產(chǎn)生50 kHz、D=5%、幅度為5 V 的窄脈沖提供給PUL端[15]，SW 端用于切換110 V/220 V 工作狀態(tài)，當(dāng)UAC為170～250 V 時(shí)SW 為高電平Q4 導(dǎo)通R3被短路，C0的電壓通過(guò)R2放電產(chǎn)生占空比。

圖9 高功率因數(shù)混合型變換器電路

當(dāng)UAC為80～170 V 時(shí)SW 為低電平Q4截止，C0的電壓通過(guò)R2和R3放電產(chǎn)生占空比。

Q3 的作用是，當(dāng)電容C4的電壓超過(guò)設(shè)定值320 V 時(shí)Q3 開(kāi)始導(dǎo)通把C0的電壓迅速放電，只提供最小的占空比，維持輸出電壓。

2.4 高功率因數(shù)混合型變換器電感L 的設(shè)計(jì)

每個(gè)Ts內(nèi)電感釋放給電容C4的能量為經(jīng)過(guò)N 個(gè)Ts時(shí)間充電后應(yīng)滿足式(6)，式中η 為電路的效率。

整理后可得式(7)，同時(shí)為了防止電感過(guò)小導(dǎo)致IP過(guò)大，設(shè)定交流電壓最大值Um時(shí)電流最大值為Im。則工作時(shí)應(yīng)滿足IP

式(7)為功率條件、式(8)為電流條件，則當(dāng)輸入電壓為250 V 時(shí)產(chǎn)生最大的電流。交流電頻率f=50 Hz、窄脈沖周期T=20 μs、C=100 μF、η=80%，要求C4的充電電壓在TX=0.3 s 之內(nèi)達(dá)到320 V 設(shè)定值，則N=TX/Ts=30。

Im分別取1 A、1.2 A、1.5 A 后根據(jù)式(7)、式(8)仿真的結(jié)果如圖10 所示。

圖10 輸入250 V 時(shí)功率條件與電流條件的關(guān)系

可知Im=1 A、Im=1.2 A 時(shí)交點(diǎn)在L 值大于1 000 μH，電感體積過(guò)大不予考慮。當(dāng)Im=1.5 A 時(shí)L>620 μH 滿足要求。

為了保證在每個(gè)周期T 內(nèi)電感能量全部釋放，應(yīng)滿足式(9)的釋放條件。ton時(shí)UL≈Ui，而toff時(shí)UL≈UC4，根據(jù)伏秒值關(guān)系可求得toff=Ui/UC4。同時(shí)電感中施加了Ui電壓時(shí)電流達(dá)到Im所需要的ton=ImL/Ui，代入式(9)后可得式(10)。

UAC為80～250 V 時(shí)，在80 V 處達(dá)到Im的ton時(shí)間最長(zhǎng)，如果此時(shí)滿足式(10)條件，則其他范圍電壓時(shí)均可滿足要求。

圖11 為Im=1.5 A、UAC分別取80 V、250 V 后，利 用式(7)、式(8)仿真的結(jié)果。可見(jiàn)UAC=80 V 時(shí)L 范圍為A區(qū)，UAC=250 V 時(shí)L 范圍為B 區(qū)。

圖11 電感取值范圍曲線

由于爆閃燈工作電壓為80～250 V，因此L 取值應(yīng)同時(shí)滿足A 區(qū)和B 區(qū)，則L 值應(yīng)滿足620 μH

2.5 控制器電路設(shè)計(jì)

圖12 為利用MK7A23P 的控制器電路，模式開(kāi)關(guān)S1提供4 種爆閃燈的工作模式，PA3 輸出D=5%、頻率為50 kHz 的窄脈沖，PA4 輸出時(shí)間為1 s、D=10%的觸發(fā)脈沖控制頻閃管組件工作。

圖12 MK7A23P 的控制器電路

Ui經(jīng)過(guò)D8、R10、R11分壓后提供給PC7，檢測(cè)輸入電壓的大小，當(dāng)UAC>170 V 時(shí)SW 端輸出高電平進(jìn)入220 V工作模式。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖13、圖14、圖15 為輸入電壓UAC分別取80 V、220 V、250 V 時(shí)各點(diǎn)的波形圖。

圖13 UAC=80 V 時(shí)工作波形圖

圖14 UAC=220 V 時(shí)工作波形圖

圖15 UAC=250 V 時(shí)工作波形圖

可見(jiàn)交流電壓從80～250 V 內(nèi)改變時(shí)C4的電壓約為0.3 s 內(nèi)達(dá)到值320 V。

為了觀察交流電的輸入波形，把UAC=80 V 工作時(shí)波形展開(kāi)后得到圖16。

圖16 UAC=80 V 時(shí)工作波形展開(kāi)圖

可見(jiàn)交流電輸入電流波形近似為正弦波，實(shí)測(cè)的功率因數(shù)為0.95～0.98。

圖17 為電容C1=0.22 μF 輸出端接入恒定負(fù)載時(shí)各點(diǎn)的波形圖，可見(jiàn)整流后的輸入電壓波形與電流波形幾乎是同相且連續(xù)的，實(shí)測(cè)的功率因數(shù)為0.98。

圖17 恒定負(fù)載時(shí)各點(diǎn)的波形圖

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用高功率因數(shù)混合型變換器設(shè)計(jì)的交流爆閃燈可在80～250 V 寬電壓范圍內(nèi)工作，可實(shí)現(xiàn)110 V/220 V 產(chǎn)品的單一化，便于維護(hù)管理，提高管理效率。

利用單級(jí)變換器可實(shí)現(xiàn)升壓、降壓，且功率因數(shù)很高，開(kāi)關(guān)管的反向電壓與輸入、輸出電壓中的較大者相同，因此開(kāi)關(guān)管在較低的反向電壓下工作，提高電路的穩(wěn)定性，特別適合于高壓輸出的場(chǎng)合。