電子鎮(zhèn)流器半橋逆變輸入電路分析與設(shè)計

摘要：電子鎮(zhèn)流器半橋逆變輸入電路決定整機工作頻率，是影響開關(guān)功率管逆變的重要因素。通過對脈沖變壓器及理想激勵電流波形的分析，如何提高轉(zhuǎn)換速率，阻尼振蕩予以討論，指出目前存在的設(shè)計誤區(qū)，做出減少共態(tài)導(dǎo)通與開關(guān)損耗的新設(shè)計。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)換速率；阻尼振蕩；共態(tài)導(dǎo)通；開關(guān)損耗；新設(shè)計

0 引言

眾所周知，電子鎮(zhèn)流器半橋逆變輸入電路極為重要，它直接關(guān)系到整機的工作頻率、開關(guān)損耗、轉(zhuǎn)換效率、輸出功率；同時對EMC、THD、PF等主要技術(shù)指標(biāo)也有一定影響。目前比較實用的技術(shù)方案是雙極型晶體管作半橋聯(lián)接，由磁環(huán)構(gòu)成脈沖變壓器反饋產(chǎn)生自激振蕩，輸出高頻脈沖電流供熒光燈管作光電轉(zhuǎn)換。由于晶體管基區(qū)的存儲效應(yīng)，延遲了關(guān)斷時間；集電結(jié)電容使輸出脈沖電流對輸入端構(gòu)成不良影響；特別是輸入電路中的脈沖變壓器，當(dāng)半橋逆變電路工作時，開關(guān)電流在其初級繞組中產(chǎn)生振鈴，其正峰值與基區(qū)存儲的正電荷合力促使開關(guān)管延遲關(guān)斷，或重復(fù)導(dǎo)通，這就造成“共態(tài)導(dǎo)通”，輕則開關(guān)損耗增大，三極管發(fā)燙，重則開機就進入二次擊穿，而且任何保護電路對它都無能為力。

為此，研究開關(guān)管迅速導(dǎo)通、徹底關(guān)斷的理想激勵條件，設(shè)計由雙極型晶體管構(gòu)成的電子鎮(zhèn)流器半橋逆變輸入電路最佳方案很有必要。

1 開關(guān)管迅速導(dǎo)通的激勵條件

雙極型晶體管的電流放大系數(shù)β值并非是一個常量，而是隨信號頻率的增大而減小的。當(dāng)基極注入階躍電流I_b時，集電極電流i_c上升隨時間的變化是非線性的，即

i_c（t）=β_oI_b（1－）（1）

式中：β_o為低頻時的β值；

ω_o=2πf_β(f_β為晶體管共射電路截止頻率)。

若令 T_ce=1/ω_o，

則 i_c（t）=β_oI_b(1－)（2）

式（2）表明，基極注入階躍電流I_b時，集電極電流i_c按指數(shù)規(guī)律逐漸上升到最大值β_oI_b。若令開啟時間t_k為集電極電流i_c從零上升到最大值β_oI_b的90％所需時間，上式改寫為

0.9β_oI_b=β_oI_b(1－)（3）

解式（3）得 t_k=2.3T_ce（4）

根據(jù)式（4）作出圖1是基極階躍電流I_b對i_c的影響。

（a）基極階段電流I_b （b）集電極電流i_c

圖1 I_b對i_c的影響

舉例：電子鎮(zhèn)流器常用晶體管MJE13005的β_o=20，f_T=4MHz，

則f_β=f_T/β=4MHz/20=200kHz，

T_ce=1/ω_o=1/2πf_β≈0.80μs，

故t_k=2.3T_ce≈1.84μs

工作在30kHz左右的電子鎮(zhèn)流器，單個脈寬為16.7μs，開啟時間占11％是比較長的。而開啟時間越長，開關(guān)損耗隨著增大。如果加大注入階躍電流i_b為臨界飽和電流I_b的N倍，可以使開啟時間t_k相應(yīng)縮短，即

β_oI_b=β_oNIb（1－）（5）

解式（6）得 t_k=T_celn（6）

圖2是過激勵對開啟時間的影響，從曲線圖中看出：N>2時，t_k的減小不太明顯了。反之，激勵過大，又引起開關(guān)管的深度飽和，并消耗太多的激勵功率。對于電子鎮(zhèn)流器逆變電路，取N=2是合適的，即

i_c≥（7）

式中：I_cp為開關(guān)管工作時集電極電流峰值。

（a）激勵電流 （b）倍數(shù)N的影響

圖2 過激勵對開啟時間的影響

以MJE13005管為例，取過激勵倍數(shù)N=2，則t_k=T_celn=0.8μsln2≈0.8μs0.7=0.56μs，這一計算結(jié)果與圖2所示曲線相似，它僅為原開啟時間的3/10。

2 開關(guān)管迅速截止的激勵條件

開關(guān)管從導(dǎo)通到截止的物理過程與開啟時基本相同。由于基區(qū)存儲效應(yīng)和集電結(jié)電容的影響，導(dǎo)通時的集電極電流維持在飽和值I_c=β_oI_b，當(dāng)基極注入電流I_b突然下降為零，i_c不可能突變?yōu)榱?，而是按指?shù)規(guī)律下降：

i_c=I_c（8）

若規(guī)定下降時間t_x的定義域是：當(dāng)i_c降到β_oI_b的1/10時所需的時間，即

0.1β_oI_b=β_oI_b（9）

解式（9）得 t_x≈2.3T_ce（10）

下降時間t_x越長，開關(guān)損耗也越大。當(dāng)電路工作在半橋逆變狀態(tài)時，一只開關(guān)管尚未完全截止而另一只開關(guān)管已開始導(dǎo)通的瞬間，直流回路處于短路狀態(tài)，所出現(xiàn)的i_c峰值是驚人的，這種“共態(tài)導(dǎo)通”是引起開關(guān)管二次擊穿的重要原因。當(dāng)開關(guān)管選定之后，縮短下降時間t_x的最佳方案是基極注入反向電流，將基區(qū)存儲的大量的正電荷在極短時間內(nèi)相互完全中和，實現(xiàn)迅速關(guān)斷的目的。設(shè)基極反向激勵電流加大為－N′I_b′時，電流i_c降至－β_oN′I_b（此式只限于解釋，因為V_ce>0，i_c實際上不出現(xiàn)負(fù)值）。在反向激勵電流作用下，i_c從I_c下降至零的時間為t_x，則

0=β_oI_b（1＋N′）（11）

解式（11）得 t_x=T_celn（12）

依照式（12）得圖3的反向激勵倍數(shù)N′與截止時間的關(guān)系。如圖3所示，當(dāng)N′>3后，效果不太顯著。工程上一般取i_b≥3I_b=。

（a）基極注入反向電流 （b）截止時間t_x（N）關(guān)系曲線

圖3 反向激勵倍數(shù)與截止時間的關(guān)系

以MJE13005為例，未加反向過激勵電流時的t_x=2.3T_ce≈1.84μs，加反向過激勵，取N′=3時

t_x=T_celn=0.8μsln=0.224μs

顯然，開關(guān)管基極加上3倍的I_b反向過激勵，下降時間t_x可以從1.84μs縮短到0.224μs。由此可知，由于雙極型晶體管開關(guān)管的存儲效應(yīng)，基極驅(qū)動的理想激勵電流波形如圖4所示。

圖4中：t₁－t₂為開關(guān)管導(dǎo)通瞬時基極注入電流i_b，峰值為2I_b，有助于迅速導(dǎo)通，縮短過渡期，減少開關(guān)損耗。

圖4 基極驅(qū)動的理想激勵電流波形

t₂－t₃為開關(guān)管維持導(dǎo)通時間，此時的Ib在滿足其導(dǎo)通的條件下，盡量小些，避免深度飽和，有利于減小開關(guān)管的存儲時間。

t₃－t₄為開關(guān)管截止瞬間，其反向電流峰值達3倍的I_b值，增加其基極反向電流，從而減小存儲時間和下降時間。

3 脈沖變壓器工作狀態(tài)分析

電子鎮(zhèn)流器常用鐵氧體磁芯構(gòu)成的環(huán)形脈沖變壓器作為驅(qū)動元件。由于激勵電壓脈沖是方波，其平頂部分含低頻分量多，而脈沖前后沿高頻分量多。這樣對脈沖變壓器的要求就嚴(yán)格了，既要求足夠的互感，又要漏感小、分布電容小。因此，具有矩形磁滯回線及磁滯損耗小，飽和磁感應(yīng)強度Bs高，外形為Φ10mm6mm 5mm的R2K材料磁環(huán)最佳。其磁路是閉合的，漏磁最小。工藝上要盡量減小其寄生參數(shù)。

圖5為脈沖變壓器結(jié)構(gòu)及等效電路。運用拉氏變換法可得到四端網(wǎng)絡(luò)等效電路，圖5中繞組1為初級，繞阻2為次級。R_s是訊號源的內(nèi)阻，L_P是漏電感，L_M為磁化電感，C是分布電容，R_L′是開關(guān)管基極回路的折合到初級的電阻值。

（a）結(jié)構(gòu)示意（b）等效電路

圖5 脈沖變壓器

當(dāng)電子鎮(zhèn)流器的燈管、鎮(zhèn)流電感器和啟動電容選定之后，其振蕩頻率主要取決于開關(guān)管的基極回路、脈沖變壓器的材料、幾何尺寸、初次級繞組匝數(shù)。工程上的振蕩頻率f可由式（13）導(dǎo)出。

f=（13）

式中：V_s為初級繞組的驅(qū)動電壓；

N為初級繞組圈數(shù)；

β_s為磁芯飽和磁通密度；

S為磁環(huán)有效截面積；

K為系數(shù)，矩形波取4.0。

本文所述磁環(huán)的有效截面積S為

S=h=5≈10mm²=0.1cm²

設(shè)V_s為2.5V，β_s=0.45T，N取4匝，代入式（13）得

f====34.72kHz

上述計算值僅供工程技術(shù)人員在設(shè)計中作參考。實際調(diào)試中，其工作頻率還受開關(guān)管的t_s值、基極輸入回路阻抗及與開關(guān)管并聯(lián)的補償電容器數(shù)值的影響而稍有偏離。

圖5為脈沖變壓器結(jié)構(gòu)及等效電路。運用拉氏變換法可得到四端網(wǎng)絡(luò)等效電路，圖5中繞組1為初級，繞阻2為次級。R_s是訊號源的內(nèi)阻，L_P是漏電感，L_M為磁化電感，C是分布電容，R_L′是開關(guān)管基極回路的折合到初級的電阻值。

（a）結(jié)構(gòu)示意（b）等效電路

圖5 脈沖變壓器

當(dāng)電子鎮(zhèn)流器的燈管、鎮(zhèn)流電感器和啟動電容選定之后，其振蕩頻率主要取決于開關(guān)管的基極回路、脈沖變壓器的材料、幾何尺寸、初次級繞組匝數(shù)。工程上的振蕩頻率f可由式（13）導(dǎo)出。

f=（13）

式中：V_s為初級繞組的驅(qū)動電壓；

N為初級繞組圈數(shù)；

β_s為磁芯飽和磁通密度；

S為磁環(huán)有效截面積；

K為系數(shù)，矩形波取4.0。

本文所述磁環(huán)的有效截面積S為

S=h=5≈10mm²=0.1cm²

設(shè)V_s為2.5V，β_s=0.45T，N取4匝，代入式（13）得

f====34.72kHz

上述計算值僅供工程技術(shù)人員在設(shè)計中作參考。實際調(diào)試中，其工作頻率還受開關(guān)管的t_s值、基極輸入回路阻抗及與開關(guān)管并聯(lián)的補償電容器數(shù)值的影響而稍有偏離。

應(yīng)該引起重視的是：半橋逆變電路輸出電壓波形是典型的方波，流經(jīng)脈沖變壓器繞組的電流的上升沿和下降沿會產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象，波形發(fā)生畸變，如圖6所示。

圖6 電流的上升沿和下降沿產(chǎn)生的振鈴現(xiàn)象

對于電子鎮(zhèn)流器來說，下降沿的振鈴電流幅度大危害也大。產(chǎn)生振鈴電流的根本原因是矩形脈沖的上升沿和下降沿的過沖所造成的。由于脈沖前后沿包含著豐富的高頻成份，頻率越高，L_M的感抗ωL_M值越大，當(dāng)?shù)刃ё杩棺銐虼髸r，此處就會產(chǎn)生振蕩。振蕩的強度與基極回路的等效阻抗有關(guān)。阻尼系數(shù)可以由式（14）表示。

δ=（14）

根據(jù)式（14）可以繪制出圖7所示的3種阻尼曲線。

圖7 不同δ時的阻尼特性

取臨界阻尼δ=1

當(dāng)δ>1時為過阻尼，波形上、下沿過渡緩慢，導(dǎo)致開關(guān)管進入放大區(qū)時間拉長，損耗增大，開關(guān)管發(fā)熱。

當(dāng)δ1時，雖然開關(guān)管導(dǎo)通，截止加速，表現(xiàn)為開關(guān)管溫升極低。然而，下降沿振鈴電流的上沖部分與基極存儲電荷的雙重作用下，使開關(guān)管延遲關(guān)斷或重復(fù)導(dǎo)通，這是共態(tài)導(dǎo)通的元兇。

一些技術(shù)人員反映：當(dāng)電路損耗調(diào)到熒光燈管消耗功率的1/10以下時，MJE13005散熱板上摸不出溫升感覺，一直工作正常。當(dāng)更換燈管或電源電壓稍有變化，開機瞬間就被擊穿，百思不得其解。這一現(xiàn)象從δ1時的理論分析可得出答案：當(dāng)電源電壓升高或燈管老化，管壓增高時，等效負(fù)載電阻R_L′也增大；同時，開關(guān)電路的工作頻率也隨之偏離，振鈴電流驟然增大，嚴(yán)重時開機瞬間半橋逆變電路的開關(guān)管因共態(tài)導(dǎo)通迅速進入二次擊穿區(qū)域。振鈴輕微的工作頻率攀升，數(shù)分鐘后，功率猛增，開關(guān)管溫升達100℃左右，最終也會被燒毀。

4 輸入電路的設(shè)計

4．1 脈沖變壓器的設(shè)計

在電子鎮(zhèn)流器中，脈沖變壓器猶如人體中的心臟，它是決定電路工作效率及可靠性的關(guān)鍵。

首先是材料的選擇，為了實現(xiàn)理想的驅(qū)動基極電流波形，要求磁芯的起始磁導(dǎo)率μ_i和飽和磁通密度B_S要高些，而剩磁B_r和矯頑力H_O越小，越有利于電流轉(zhuǎn)換。居里溫度T_C和磁阻R_m選得高些，電路工作穩(wěn)定性好，損耗也小，這已成為工程技術(shù)人員的共識。選擇國產(chǎn)RM2KD鐵氧體材料一般能滿足要求。對于Φ10mm6mm5mm磁環(huán)，測得μ_i=2500，T_C=220℃，B_S=0.45T。

其次是脈沖變壓器的初次級繞組的確定。一般先計算出初級繞組的電感量L_M。

L_M=t_uR_L′/Δ（15）

式中：t_u為脈沖持續(xù)時間；

Δ工程上大多取0.8為脈沖頂部下降畸變系數(shù)。

按式（16）可以估算初級繞組圈數(shù)N。

N=（16）

式中：l為磁環(huán)平均磁路長度；

μ_△為鐵芯磁導(dǎo)率；

S為磁環(huán)截面積。

設(shè)計中，R_L′隨著初次級匝比、開關(guān)管基極串聯(lián)的限流電阻R_b及開關(guān)管發(fā)射極電阻的變化而變化，此等效阻抗要作適當(dāng)調(diào)整。

4．2 基極輸入電路的設(shè)計

脈沖變壓器參數(shù)確定之后，開關(guān)管輸入電路的設(shè)計是至關(guān)重要的。設(shè)計的依據(jù)是盡量符合理想激勵電流波形。根據(jù)市場競爭的實際情況和工藝上的要求，結(jié)合脈沖變壓器的固有特性，電路結(jié)構(gòu)要簡單，性能要穩(wěn)定，一致性好，實用性較強。

方案之一：反向二極管阻尼電路，如圖8所示。

圖8 反向二極管阻尼電路

圖8中快速恢復(fù)二極管D與開關(guān)管的基極限流電阻R_b反向并聯(lián)，基極與地之間還并聯(lián)一只防振電容器C。對于脈沖上升沿和平頂段，因D的反接而不起作用，R_b的限流作用，使i_b^＋稍大于I_b，適當(dāng)調(diào)整次級繞組圈數(shù)，開關(guān)管迅速導(dǎo)通而不進入過飽和狀態(tài)。而當(dāng)脈沖下降沿到來，D正向偏置而導(dǎo)通，脈沖變壓器輸出的負(fù)向過沖電流順利注入開關(guān)管基極，按di_b^－/dt的速率將基區(qū)存儲的正電荷迅速中和，瞬間進入關(guān)斷狀態(tài)。C的作用是進一步消除脈沖上升、下降沿所產(chǎn)生的振鈴電流，使開關(guān)管安全工作。

方案之二：RC并聯(lián)阻尼電路，如圖9所示。

圖9 RC并聯(lián)阻尼電路

圖9中RC并聯(lián)在開關(guān)管基極與地之間。阻尼電阻R的接入使防振電容C有一個放電回路，增強阻尼消振作用。同時R阻值一般與開關(guān)管的輸入阻抗相仿，約33～100Ω之間，特別是在開關(guān)管關(guān)斷時，R對脈沖變壓器的阻尼作用是明顯增強的。再一個優(yōu)點在于R的接入使開關(guān)管耐壓V_cer值進一步得以提高，特別是大功率電子鎮(zhèn)流器，其可靠性提高是顯著的。該電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但很是實用。它與脈沖變壓器相配合，調(diào)試得當(dāng)，工作穩(wěn)定可靠。設(shè)計在燈具中，即使不設(shè)燈管開路保護電路，也不會引起電子鎮(zhèn)流器的損壞。

方案之三：在上述兩種方案的基礎(chǔ)上，開關(guān)管基極回路中串接一只20～50μH的電感器，對高頻振鈴電流呈現(xiàn)較大的阻抗，衰減也大。該方案最大優(yōu)點是調(diào)試簡單，而效果達到事半功倍。

筆者就最近公告的發(fā)明專利《雙重功率因數(shù)校正低波峰比電子鎮(zhèn)流器》，設(shè)有雙重功率因數(shù)校正和低波峰比電路，高效燈絲預(yù)熱及異常狀態(tài)保護電路，同時其輸入回路采用了RC并聯(lián)阻尼電路。因而功率因數(shù)達到0.99，總諧波失真THD≤12％，波峰比CF≤1.65，電磁兼容EMC技術(shù)指標(biāo)符合IEC有關(guān)規(guī)定。它還設(shè)有無功耗（PTC）預(yù)熱式啟動，使電路效率進一步提高。燈管開關(guān)壽命平均達到10000次以上。

5 設(shè)計誤區(qū)

5.1 設(shè)計誤區(qū)之一

為了改善雙極型晶體管開關(guān)特性，往往在基極驅(qū)動回路中串接一只1000～3300pF小電容，利用電容兩端電壓不能突變原理，瞬間提供一個大的驅(qū)動電流，既加速導(dǎo)通，也加速關(guān)斷。但是，同時把脈沖變壓器繞組中的上升或下降過沖所引起的振鈴電流也注入開關(guān)管基極，這是很不利的。這種電路只適用于IC驅(qū)動，不能用于脈沖變壓器的驅(qū)動。

5.2 設(shè)計誤區(qū)之二

國內(nèi)常見鎮(zhèn)流器電路中，開關(guān)管的基極與發(fā)射極之間反向并聯(lián)一只二極管，雖然有利于導(dǎo)通，消除了部分振鈴電流；但是，它把大部分反向電流也消除了，這不利于開關(guān)管的加速截止，不能得到理想的基極驅(qū)動電流波形。

比較理想的設(shè)計是在開關(guān)管的基極和集電極之間串聯(lián)、并聯(lián)多個正向與反向二極管，構(gòu)成“抗飽和電路”，例如“貝克爾箝位電路”。雖然它消除了導(dǎo)通時的深飽和，達到了縮短存儲時間的目的，同樣也減小了反向激勵電流。但是它需要3～4個快恢復(fù)二極管，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以在電子鎮(zhèn)流器中至今極少被采用。

6 結(jié)語

設(shè)計電子鎮(zhèn)流器的難點在于雙極型晶體管基極的電流存儲效應(yīng)、脈沖變壓器上升沿和下降沿的過沖振鈴電流；再是氣體放電燈的負(fù)阻特性，使鎮(zhèn)流器的負(fù)載回路不得不呈感性，從而使設(shè)計變得雪上加霜。通過對電子鎮(zhèn)流器半橋逆變輸入電路分析，提出的反向二極管阻尼電路和RC并聯(lián)阻尼電路有一定的實用性，基本上解決上述難點。這一技術(shù)在發(fā)明專利中使用得以進一步驗證。由于篇幅有限，本文未涉及到零電流開關(guān)補償電容器、輸出回路中的電感性負(fù)載和放電燈對基極回路的影響。