一种新型车载HID灯电子镇流器准谐振拓扑研究

胡子阳，赵 升

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

一种新型车载HID灯电子镇流器准谐振拓扑研究

胡子阳，赵 升

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

针对传统车载HID灯电子镇流器工作效率低的问题，提出并研究了一种新型车载HID灯电子镇流器准谐振拓扑。与传统车载HID灯电子镇流器拓扑相比，该新型车载HID灯电子镇流器准谐振拓扑的开关管工作于零电压导通(Zero Voltage switching，ZVS)状态,二极管工作于零电流关断(Zero Current switching，ZCS)状态，实现了高效率功率变换。同时，该新型车载HID灯电子镇流器准谐振拓扑能够快速响应负载变化，简化了DC-DC变换器设计。详细分析了这种新型车载HID灯电子镇流器准谐振拓扑的工作原理及关键参数的设计原则，最后通过实验验证了理论分析的正确性。

DC-DC变换器；HID灯电子镇流器;软开关;零电压导通；零电流关断；高效率功率变换

1 引言

直流/直流转换器是实现车载HID灯电子镇流器灯电压、灯电流转换的关键部件。随着功率密度、效率逐渐成为车载HID灯设计的主要关注点，谐振变换器拓扑越来越受到人们的关注[1-2]。与传统硬开关变换器相比，谐振变换器在较宽范围内能够实现开关管的软导通和二极管的软关断，提高了车载HID灯电子镇流器的效率，得到了广泛应用[3-4]。

由于车载HID灯电子镇流器必须具有升压功能，以及对开路负载的大电压输出能力，并且为了尽量减少元器件的数量，车载HID灯电子镇流器均选用反激拓扑。由于反激变压器的漏感将在开关管上产生高压脉冲，使得开关管工作于硬导通与硬关断状态，这会严重影响系统效率[5]。

针对上述问题，研究了一种新型车载HID灯电子镇流器准谐振拓扑，与传统反激式HID灯电子镇流器拓扑相比，该新型车载HID灯电子镇流器准谐振拓扑的开关管工作于零电压导通 (Zero Voltage switching，ZVS)状态,二极管工作于零电流关断(Zero Current switching，ZCS)状态，实现了高效率功率变换。同时，该新型车载HID灯电子镇流器准谐振拓扑能够快速响应负载变化，简化了DC-DC变换器设计。详细分析了这种新型车载HID灯电子镇流器准谐振拓扑的工作原理及关键参数的设计原则，最后通过实验验证了理论分析的正确性。

2 开关管工作状态分析

如图1所示开关管工作于硬开关状态，Vg为开关管驱动脉冲，Vds为开关管两端电压，Ids为流过开关管的电流。开关管导通时，开关管的电流上升和电压下降同时进行；开关管关断时，开关管的电压上升和电流下降同时进行，因此电压、电流波形的交叠产生了开关损耗，会降低开关电源的效率。

图1 开关管工作于硬开关状态

为了提高车载HID灯电子镇流器的工作效率，需要降低开关管的开关损耗，即要求开关管工作于软开关状态[6]，如图2所示。开关管工作于软开关状态，开关管导通时，开关管的电压已经降到零，之后开关管的电流上升，即开关管工作在零电压导通状态（ZVS）；开关管关断时，开关管的电流已经降到零，之后开关管的电压上升，即开关管工作在零电流关断状态（ZCS）。开关管工作在软开关状态，电压和电流不会产生交叠，减少了开关损耗，提高了变换器效率。

图2 开关管工作于软开关状态

3 新型准谐振H I D镇流器拓扑工作原理分析

3.1 工作波形

图3(a)所示为新型准谐振HID电子镇流器拓扑的原理图，Vin为输入电压，Lm为励磁电感，Q为开关管，开关管内部存在反向并联二极管D1，Cd为开关管输出电容，T为匝数比为n的理想变压器，D为输出整流二极管，C为滤波电容，R为负载电阻，Vo为输出电压。图3(b)所示为其工作时序波形图，Vg为开关管驱动脉冲波形，Vds为输出电容电压波形 (或开关管两端电压波形)，iLm为励磁电感电流波形，ids为流过开关管的电流波形[7]。

图3 新型准谐振HID电子镇流器拓扑

3.2 工作过程分析

在一个开关周期Ts内，新型准谐振HID电子镇流器的工作原理如下所述：

[t1-t2]：如图3(b)所示，在t1时刻，开关管Q导通，输入电压Vin加到励磁电感Lm两端，励磁电感电流iLm线性增大，此时能量被储存在励磁电感Lm中，输出整流二极管D截止。

[t2-t3]：如图3(b)所示，在t2时刻，开关管Q关断，开关管电流ids迅速降为零，励磁电感Lm与开关管输出电容Cd谐振，这里可假定励磁电感Lm很大，即流过输出电容Cd的励磁电感电流iLm不变，所以输出电容Cd的端电压Vds线性上升，在t3时刻，输出电容Cd的端电压Vds上升到Vg+nVo。

[t3-t4]：如图3(b)所示，在t3时刻，由于输出电容Cd的端电压Vds上升到Vg+nVo，所以变压器T次级侧电压为Vo，因此输出整流二极管D导通，储存在励磁电感Lm中的能量向次级侧传输，励磁电感电流iLm线性下降，在t4时刻，励磁电感电流iLm下降到零，输出整流二极管D关断，变压器初级侧与次级侧断开。

[t4-t5]：如图3(b)所示，在t4时刻，由于励磁电感电流iLm下降到零，变压器初级侧与次级侧断开，所以励磁电感Lm与输出电容Cd谐振，励磁电感电流iLm与输出电容的端电压Vds波形均为正弦波，t5时刻，输出电容的端电压Vds谐振到零。

[t5-t6]：如图3(b)所示，在t5时刻，输出电容两端电压Vds谐振到零，由于开关管Q内部存在反向并联二极管D1，所以输出电容的端电压Vds始终被箝位至零，此时励磁电感电流iLm通过反向并联二极管D1，由于输入电压Vin加到励磁电感Lm两端，所励磁电感电流iLm线性增大。

由于在[t5-t6]时间段内，开关管两端电压Vds始终为零，若在t6时刻导通开关管，即实现了开关管的零电压导通，二极管的零电流关断，使得变换器工作在软开关状态[8]。

4 实验验证

根据前述新型准谐振HID电子镇流器的工作原理分析，设计HID电子镇流器的工作参数为：输出功率Po=35W，输出电流Io=0.41A，输入电压Vi=13.5V，工作频率 fs=180KHz，初级电感 Lp= 3.47uH，占空比D=0.51，匝数比n=6。图4所示为新型准谐振HID电子镇流器稳态实验波形，由图可知，新型准谐振HID电子镇流器的开关管工作于零电压导通状态，二极管工作于零电流关断状态，提高了系统的工作效率。实验结果表明该新型准谐振HID电子镇流器工作于软开关状态，具有较高的工作效率。

图4 新型准谐振HID电子镇流器稳态实验波形

5 结束语

对一种新型车载HID灯电子镇流器拓扑的工作原理和设计过程进行了详细分析，与传统车载HID灯电子镇流器拓扑相比，该新型车载HID灯电子镇流器准谐振拓扑的开关管工作于零电压导通(ZeroVoltage switching，ZVS)状态,二极管工作于零电流关断(Zero Current switching，ZCS)状态，这样开关管上面就不会产生功率消耗，从而实现了高效率功率变换。

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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

胡子阳（1978-），男，辽宁省铁岭市人，高级工程师，硕士，主研方向：集成电路设计与应用。

2016-8-2