首页 > 《中国电气工程学报》 > 2021年04期 > 基于UC3843芯片的电子镇流器Buck电路仿真研究

（整期优先）网络出版时间：2021-08-23

作者: 刘康蒋健于建鹏孟之一余振中田小敏

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基于 UC3843 芯片的电子镇流器 Buck 电路仿真研究

刘康蒋健于建鹏孟之一余振中田小敏

金陵科技学院 , 江苏南京 211169

摘要：本文介绍了金卤灯电子镇流器中Buck降压电路的基本工作原理，提出了一种基于UC3843芯片的Buck电路，并进行了PSpice仿真验证，仿真结果和实验测试相吻合，说明该仿真研究的有效性。

关键词：金卤灯；Buck电路；PSpice仿真

金卤灯电子镇流器

金卤灯是一种在金属卤化物混合蒸气中产生电弧放电发光的放电灯，具有寿命长、显色性能好、发光效率高等特点，广泛应用于车站、机场、大桥、商场、体育场馆及城市亮化工程等照明场合。金卤灯在稳态工作时呈现出负阻特性，不能直接接入市电，正常工作必须配备电子镇流器。三级低频方波的金卤灯电子镇流器的设计方案比较成熟，且可靠性高，主要包括以下几个部分：有源功率因数校正APFC电路、BUCK降压电路、全桥逆变电路、点火电路等等，如图1所示。

本文设计的是70W金卤灯电子镇流器：1、第一级是功率因数校正电路，目的是将整个电路的功率因数提高到接近于1，减小对交流电网的谐波污染，同时把民用电（50HZ、220V交流电）转化成400V直流电；2、第二级是Buck降压电路，主要功能是将功率因数校正电路输出的400V直流电压降压到本文中的85V直流电压，同时Buck电路的另外一个功能是实现对灯的恒功率控制；3、第三级是全桥逆变电路，由于金卤灯需要工作在低频方波状态下，因此Buck电路输出的直流电压需经过DC/AC逆变电路才能使灯正常工作；此外，为使金卤灯正常启动，要求电子镇流器能提供一个幅值3kV以上的高压脉冲，该装置称为点火电路。本文主要研究基于UC3843芯片的70 W金卤灯电子镇流器中Buck电路的PSpice仿真。

图1 三级低频方波电子镇流器的基本框架

基金项目：金陵科技学院2021年“科教融合”项目,课题编号:2021KJRH09；江苏省现代教育技术课题，课题编号:2019-R-80918。

2.改进型Buck电路的设计

Buck电路是一种输出电压V_o小于或者等于输入电压V_IN的直流/直流降压变换器，它是由全控型开关管T和续流二极管D，以及电感L、电容C构成的低通滤波电路组成，拓扑结构如图2(a)所示。通过给开关管T施加一个周期性的驱动信号来实现导通、关断控制，设开关管T的导通时间为T_on，在这期间二极管D处于截止状态，电感电流线性增加。设开关管T的关断时间为T_off，在这期间二极管D处于续流状态，电感电流线性减小。Buck变换器有两种可能的工作模式：电感电流连续模式和电感电流断续模式。电感电流连续模式是指电感电流在整个开关周期T_s中都存在的一种工作状态，而电感电流断续模式是指在开关管关断期间的后期一段时间内电感电流已经降为零的一种状态。处于这两种工作模式的临界点称为电感电流临界连续状态，这时电感电流在开关管关断期T_off结束时，刚好下降到零。LC低通滤波器的功能就是使开关管T输出电压的直流分量可以通过，而抑制谐波分量通过，最终电容C上的输出电压V_o是该直流分量再附加微小的纹波电压。图2(a)中MOS管的栅源极位于高电位侧,PWM信号不能直接驱动MOS管, 必须通过隔离电路实现对MOS管的驱动, 隔离电路可以采用光耦或者变压器的隔离方法，但是这将增加系统的元件数量和成本，并降低系统可靠性。因此，本设计中我们采用图2(b)中改进型的Buck电路，此时MOS管处于低电位侧，PWM信号可以直接驱动MOS管，由于电路图2(a)（b）中的拓扑关系没变, 电路中的相关参数计算表达式不变。

图2 （a）传统型Buck电路（b）改进型Buck电路

下面对70W金卤灯Buck电路的相关参数进行计算，功率因数校正电路的输出直流电压400V作为Buck电路的输入电压V_IN（V_IN=400V），金卤灯稳态工作时要求输出电压V_o=85V，则计算出输出电流为I_o=70/85=0.824A，负载端的等效电阻为103Ω。开关管T采用MOS管，设其工作频率为f=50KHZ，则MOS管工作周期为T_s=1/f=20μs。由电感电流临界模式中电感量的计算公式：

（1）

计算得到电感L₀=812μH。因为断续模式下所要求的电感量比较小，同时也能降低二极管D反向恢复所产生的损耗。因此设计Buck电路工作在电感电流断续模式下，本次设计选择电感L=650μH。由MOS管导通时间的占空比D

（2）

计算可得D=0.19。为避免金卤灯发生声共振，要求Δu_o/u_o≤5%，，计算得到

C≥1.15μF。

本文采用芯片UC3843来实现MOS管的驱动控制, UC3843是一种高性能的固定频率电流型控制器，只需要较少的外部元件就可以实现直流/直流变换器的设计，工作频率最高可达500KHZ，如图3所示。Buck电路的工作频率由外部元件R₆和C₃决定，本次设计采用50KHZ的开关频率，选取电阻R₆=10.3KΩ和电容C₃=3.3nF，则振荡频率f=1.72/(R₆C₃)=50KHZ。R₁₃为输入回路中电流的采样电阻，将回路中的电流转化为电压，该电压经R₅和C₆组成的滤波器滤除波形毛刺后送入UC3843的3脚，当3脚电压达到1V时，6脚输出低电平，使MOS管关断。当下一个周期开始时，UC3843的6脚又重新输出高电平来驱动MOS管使其导通，如此周而复始。由电流断续模式下电感峰值电流的计算公式，得到Δi_L=1.8A，同时该电流峰值也是采样电阻的最大电流，因此选取采样电阻R₁₃的阻值为1/1.8=0.56Ω。

图3 Buck电路PSpice建模

3.仿真结果与结论

PSpice仿真软件是一种应用较广泛的电力电子仿真软件，因其元件模型的特性与实际元件的特性十分相似，因而它的仿真波形与实验电路的测试结果非常相近，对电路设计有重要指导意义。Buck电路仿真电路原理图如图3，输入电压400V直流电，负载电阻103欧姆，下面对Buck电路的PSpice仿真结果进行分析讨论。图4(a)给出了Buck电路从上电到逐步进入稳态的整个过程，图（b）为Buck电路稳态时的输出电压V_o波形，可以看到平均电压约为86V，纹波电压幅值为3V，小于输出电压直流分量的5%，可以避免金卤灯发生声谐振现象。图5为MOS管驱动波形，工作频率为50KHZ，MOS管导通时间的占空比D约为0.2，与理论计算值D=0.19基本一致。图6为采样电阻R₁₃的电压波形，是频率为50KHZ的三角波，每个周期中电压波形从0V开始线性上升，说明主回路起始电流为零，Buck电路处于电流断续模式，当电压上升到1V，主回路电流迅速切断，。