基于双限流型变换器的超低温工作的大功率爆闪灯设计

段奕初，李龙华，金永镐

（延边大学工学院，吉林延吉，133002）

0 引言

爆闪灯利用频闪管发出强光，具有很好的警示性，广泛用于特种车辆、道路交通、航空航海等方面，最大限度避免了各种事故的发生[1-2]。

现有的爆闪灯，采用固定频率的BOOST变换器给储能电容C充电后触发频闪管爆闪方式工作，此时发出的能量用W=0.5CU2来衡量，通常储能电容使用耐压为400V容量为47uF、68uF、100uF、220uF、330uF、680uF等电容，使用47uF～100uF的产品属于小功率，使用220uF～330uF的产品属于中功率，大于330uF的产品属于大功率。

但BOOST变换器的电感利用率低，在大功率场合需要较大的储能电感，会导致电感上能量消耗过多，设计大功率时需要较大容量的电感，导致体积增加；充电时电感能量无法全部释放给储能电容时开关管又导通，很快达到设定电流值，降低变换器的效率，容易引起电感饱和损坏开关管；充电电压较低的区域充电速度过快，频闪管产生“拉弧”现象（频闪管爆闪后无法熄灭处于微亮的状态）[3]。由于大部分集成电路，包括各种单片机的工作温度范围为-40℃～ 85℃，因此很难直接设计出工作在超低温环境的产品由于大部分集成电路，而三极管、场效应管、二级管等分立元件的工作范围可以达到-55℃以下到+125℃范围[4]。

鉴于上述问题设计了基于双限流型变换器的超低温工作的大功率爆闪灯，利用BUCK型变换器，设计了周期可变的双限流型充电器，在充电电压较低的区域，电感释放能量的时间较长，工作周期自动延长降低充电速率，从而克服充电速度过快引起的频闪管“拉弧”的现象；无需等待固定频率模式的下一个周期的开始，随着充电电压的上升周期自动变短，大大提高充电速率。可组成电储能电容为47uF～680uF的大、中、小的爆闪式信号灯，因此通用性很强，且能工作在-40℃以下的超低温，自动调节充电速率防止出现拉弧现象，具有充电功率大、充电效率高、电感利用率高、电路简单、工作稳定的特点，可实现产品的单一化，扩宽使用范围，产品便于维护管理，提高管理效率。

1 交流爆闪灯工作原理及存在问题

1.1 现有的交流爆闪灯工作原理分析

图1为爆闪灯工作时波形，变换器利用输入电压以恒流方式在规定的时间内（0.8s～1.5s可设定）给高压储能电容充电，当充电电压UC达到设定值时（280～350V可设定），发出触发脉冲则通过触发线圈产生5000V以上的高压触发频闪管发出强光。

图1 频闪管工作波形图

1.2 利用固定频率模式BOOST变换器的爆闪灯存在问题

图2为固定频率模式BOOST变换器的充电器简化电路[5]。

图2 固定频率模式BOOST变换器的充电器

图3为输出电压UO不同时分析电感电流和开关管控制脉冲之间的关系的工作状态图。

图3 输出电压不同时工作状态

在1区UO比较低周期T内电感只能释放部分能量给C充电，因此开关管控制脉冲很窄，降低变换器的效率，容易引起电感饱和损坏开关管。

在2区UO较大周期T内电感释放全部能量给C充电，开关管控制脉冲较宽，没有等待时间，是很理想的工作状态。

在3区UO很大电感释放能量时间很短，等待下一个同步脉冲，因此充电速率降低，但开关管控制脉冲较宽。

2 基于双限流型变换器的大功率爆闪灯

2.1 整体框图

图4为基于双限流型变换器的大功率爆闪灯框图。设定电感储能时最大电流IP和释放电流的最小值IL，利用释放电流检测器和峰值电流检测器检测后控制NCP5181的下驱动器，利用NCP5181的上驱动器组成触发脉冲发生器，输出周期为0.8s～1.5s的窄脉冲。

图4 整体框图

2.2 基于双限流型变换器的大功率爆闪灯设计

图5为基于双限流型变换器的大功率爆闪灯电路图，NCP5181内有2个驱动器，工作电压为8V～20V，内有20V稳压管，工作电流约为0.35mA。驱动器的输入端具有施密特输入特性，输入超过上触发电压UH=2V时输出高电平，低于下触发电压UL=1V时输出低电平。

图5 双限流型变换器的电路图

峰值电流IP的检测过程为，上电时Q5、Q6、Q1截止，12V电压经过R5提供大于UH=2V的电压，因此4脚输出高电平Q3导通、D4截止，高压Ui经过C2、L1产生线性增加的电流iL，因此C2开始充电L1储能，当电流iL增加到为Q5的门槛电压约为2V)时，Q5导通、Q3截止进行限流。因此IP取决于式（1）：

释放电流的最小值IL的检测过程为，当Q5导通、Q3截止时L1的极性反转D4、D1导通，L1释放能量电流iL经过D1产生压降UD1,UD1大于Q1的BE结压降UBE1时Q1产生集电极iO，iO值决于式（2）：

iO经过R11产生压降UR11,当UR11大于Q6的门槛电压UGS6时Q6一直导通，4脚输出低电平Q3截止,当UR11＜UGS6时Q3重新导通，当释放电流iL=IL时D1两端的电压为UD1L,则UD1L由式（3）决定：

代 入 R1=200Ω、R11=20K、UGS6=2V、UBE1=0.6V可 得UD1L=0.62V。UD1L与IL值和D1的伏安特性有关。UD1L值设置的越小IL值越小，只要有很小的电流iL流过D1，则产生大于UD1L=0.62V的电压Q6一直导通，只有当iL接近0时Q6截止，从而实现IL≈0mA的目的。

由式2可见，当温度改变时两个PN结电压UBE1和UD1同时改变，而iO与(UD1-UBE1)差值有关变化较小，因此这种电路具有温度补偿特性。

2.3 工作周期变化分析

由图5可知，当Q3导通时电感L1两端的电压为(Ui-UO),断开时L1两端的电压为UO，因此电流从IH改变到IL时Q3的导通时间和截止时间由式（4）、式（5）决定：

因此当UO变大时ton变大，而toff变小，图6为UO不同时工作周期改变趋势图，当UO＜0.5Ui区间周期T逐渐变小，当UO=0.5Ui时ton=toff，而在UO＞0.5Ui区间周期T逐渐变大。

图6 UO不同时工作周期改变趋势图

2.4 充电能量分配分析

设IL=0并分析UO不同时，在每个周期T内ton时间和toff时间内给C2充电的能量。ton时电感电流iL给电容C2充电，传送的能量由式（6）决定，电流iL取决于式（7）。

结合式（4）、式（6）、式（7）可得式（8）：

toff时间内电感把的能量释放给C2充电。图7为Ui=300V、L1=300uH、IP=1A时Won和WL在不同的UO时变化图。

图7 UO不同时Won和WL的变化图

可见在 UO＜0.5Ui区域 Won＜WL, 且 UO较小时 Won值很小周期自动变长，因此充电速度较慢有利于克服充电速度过快引起的频闪管“拉弧”的现象。在 UO＞0.5Ui区域 Won＞WL, 且 UO越大Won值越大周期自动变长，加快充电速度可实现释放21J能量的大功率爆闪灯，这个区间可大大提高电感的利用率，利用同容量的电感可设计出较大功率的充电器。

当C2=660uF、UO=260V时电容C2储存的能量为W=0.5C2UO2≈22.3J，满足释放能量大于21J的要求。

2.5 触发脉冲发生器设计

图8为触发脉冲发生器及频闪管触发电路。

图8 触发脉冲发生器及频闪管触发电路

上电时C5的初始电压为0V，7脚输出低电平Q2截止12V电压经过R3给C5充电，当C5的电压超过UH=2V时，7脚输出高电平Q2饱和C5充电电压通过R6放电，当电压低于UL=1V时，7脚输出低电平Q2重新截止，因此7脚上输出触发脉冲。

C5的电压通过R3从UL到UH的充电时间tL利用一阶电路的全响应公式可得式（9）：

C5的电压通过R6从UH到UL的放电时间tH利用一阶电路的全响应公式可得式（10）：

R3=300K、R6=5K、C5=4.7uF、UCC=12V 时 tL≈ 0.94s、tH≈0.11s，因此输出占空比D=10.8%的窄脉冲,通过R9触发可控硅Q8工作。

3 仿真实验结果分析

利用PSpice软件仿真，图9为C2=660uF、峰值电流IP1=2.4A、UO=300V，采用固定频率BOOST变换器时C2的充电电压波形，可见充电速率是非线性的，A点附近充电速度很快，而接近B点时充电速度很慢。A点处的电压为80V，B点处t=525ms时 UO=300V。

图9 采用BOOST变换器时C2的电压波形图

图10为C2=660uF、IP2=1.2A、UO=300V，采用双限流型变换器时C2充电电压波形。可见充电速率近似线性的，C点处的电压为43V和A点相比小37V，因此有利于克服拉弧现象。虽然峰值电流IP2仅为IP2的0.5倍，但在D点处t=475ms时已经达到300V，因此峰值电流较小，充电速度很快可组成C2值比较大的大功率爆闪灯。

图10 双限流型变换器的C2充电电压波形

为了观察UO较小和较大时周期变化规律，取C2=330uF的较小值后得到图11和图12。

图11为UO比较小时电感电流和控制脉冲波形图。

图11 UO较小时电感电流和控制脉冲波形图

可见随着UO上升周期自动变短，控制脉冲的脉宽变长，有利于提高效率，且电感电流近似为0时重新工作。

图12为UO比较大时电感电流和控制脉冲波形图，可见随着UO上升周期自动变长，电源电压Ui通过电感直接充电的时间变长，有利于提高充电速率，且电感电流近似为0时重新工作。

图12 UO 较大时电感电流和控制脉冲波形

4 结论

实验结果表明，利用双限流型充电器设计的交流爆闪灯，在低电压处充电速度较慢，有利于克服“拉弧”现象，在整个充电区充电速率变化不大，充电速度很快，因此可组成C2值比较大的大功率爆闪灯。

在整个充电区控制脉冲的脉宽很宽，有利于提高效率，开关管的导通和截止时电感都能传送能量，从而提高电感的利用率，可降低电感工作时的峰值电流值。

整个电路使用1片超低温工作的通用型场效应管驱动芯片NCP5181设计，具有充电功率大、充电效率高、电感利用率高、电路简单、工作稳定的特点，可实现多种规格的产品单一化，拓宽使用范围，产品便于维护管理，提高管理效率。