電子鎮(zhèn)流器中半橋逆變器與諧振電路的頻率匹配

北方工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院微電子學(xué)系 李 通 王 宇 戚海洋 孫 濤

1.引言

電子鎮(zhèn)流器應(yīng)用廣泛，是我們現(xiàn)在日常照明主要使用的器件，從各個環(huán)節(jié)上提高它的能效，延長它的使用壽命都至關(guān)重要。熒光燈管與高頻電子鎮(zhèn)流器的非阻抗匹配性質(zhì)，導(dǎo)致在負(fù)載燈管一端引入電感電容，使之與電子鎮(zhèn)流器阻抗匹配[1]。為了提高能效，提高電子鎮(zhèn)流器的使用可靠性，在電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計中，電子鎮(zhèn)流器的振蕩頻率與諧振電路的振蕩相匹配顯得非常重要。

2.半橋逆變器與諧振電路的頻率分析

電路基本圖如圖一所示，Vdc為通過鎮(zhèn)流器中芯片PFC控制后升壓直流電壓，vgs1，vgs2為半橋開關(guān)的控制信號，其中D1，D2為MOS管分立器件內(nèi)部本身帶的二極管。半橋逆變電路輸出的方波電壓可用傅里葉級數(shù)表示為直流和交流之和而其中f為逆變器的工作頻率。半橋逆變器輸出是個包含了直流項的方波電壓，所以加了個隔直電容C2。方波電壓的直流項在燈管點火前，使得燈上的壓降包括了這個直流電壓項，因此獲得了更高的點火電壓。點火成功后，該直流電壓項不會增加燈管的壓降，所以點亮后，只考慮方波電壓交流成分的影響。方波電壓的交流成分幾乎所有的諧波項都會被諧振電路濾掉，只有基波成分在諧振電路里起作用。因此，該電路使用基波電壓來近似分析。

電子鎮(zhèn)流器的工作電路存在兩種振蕩頻率：一種是半橋開關(guān)頻率fs（簡稱工作頻率）；另一種是燈管，限流電感（L）和啟動電容（C）之間的諧振頻率fr（簡稱諧振頻率）。由于諧振電路是半橋開關(guān)電路的負(fù)載，因此，工作頻率與諧振頻率之間存在以下三種關(guān)系：

（1）半橋開關(guān)頻率等于振蕩頻率（fs=fr）

當(dāng)fs=fr的時候，系統(tǒng)呈現(xiàn)阻性。振蕩電路電流ir與基波電壓V1同相，他們之間相位角Ψ為0.圖上示意了半橋振蕩逆變電路理論波形。從圖上看到，當(dāng)ir等于0時候，Q1開啟，ir從0上升，流過Q1.一旦ir再次到0，Q1關(guān)閉，Q2開啟。ir電流方向變?yōu)樨?fù)向，流過Q2。MOS開關(guān)管導(dǎo)通順序為Q1-Q2-Q1，開關(guān)在零電流時候開和關(guān)，導(dǎo)致零開關(guān)損耗，能效更高。不過，在實際應(yīng)用中，頻率的偏差和兩個開關(guān)管之間的死區(qū)時間，這樣的開關(guān)狀態(tài)是幾乎不存在的。

（2）半橋開關(guān)頻率大于振蕩頻率（fs＞fr）

圖1 電子鎮(zhèn)流器中半橋逆變器與串聯(lián)諧振電路簡圖

圖2 電阻性分析

圖3 電感性分析

圖4 電容性分析

圖5 仿真原理圖

圖6 電感性仿真結(jié)果

圖7 電容性仿真結(jié)果

當(dāng)fs＞fr的時候，系統(tǒng)呈感性。ir落后于V1相位角Ψ，Ψ＞0。半導(dǎo)體器件導(dǎo)通順序為D1-Q1-D2-Q2-D1.圖上示意了半橋振蕩逆變電路理論波形。當(dāng)vgs2由高變?yōu)榈蜁r，Q2關(guān)閉。此時，ir是負(fù)的，并且由流經(jīng)Q2流經(jīng)D1。在短暫的死區(qū)時間階段后，vgs1由低變?yōu)楦?。雖然這樣，Q1并沒有立即導(dǎo)通，直到ir變?yōu)?，D1關(guān)閉，然后Q1導(dǎo)通，ir流過Q1.在D1導(dǎo)通時候，S1上的壓降等于D1的導(dǎo)通壓降，約為-0.7V，因此，Q1是零電壓導(dǎo)通。當(dāng)vgs1由高變?yōu)榈蜁r，Q1關(guān)閉。此時，ir由流經(jīng)Q1轉(zhuǎn)為流經(jīng)S2，而vs1增加，vs2減少。當(dāng)vs2減少為-0.7V時候，D2導(dǎo)通，ir流過D2。從以上分析看到，MOS開關(guān)管的關(guān)閉是由柵極信號強制的，而開啟是由對應(yīng)的二極管的關(guān)斷引起的。

這種模式下開關(guān)管有零電壓導(dǎo)通的優(yōu)點，因此，開關(guān)管的導(dǎo)通損耗接近于零。由于密勒效應(yīng)沒起作用，MOS開關(guān)管的輸入電容不會因為密勒效應(yīng)而增加，所以柵驅(qū)動能量低，開關(guān)速度快。振蕩電流方向改變在低電流變化率di/dt下實現(xiàn)，所以二極管是自然關(guān)閉，所以一個較慢的二極管就夠了，直插MOS管中自帶的二極管就夠了。

雖然開關(guān)管的導(dǎo)通損耗接近于零，可是開關(guān)管關(guān)斷時候卻不一樣。關(guān)斷時，開關(guān)管電壓和電流波形卻有重疊，引起了關(guān)斷損耗。密勒效應(yīng)也要考慮，增加了開關(guān)管的輸入電容，增加了柵極驅(qū)動需要的能量，降低了關(guān)斷速度。盡管如此，為了實現(xiàn)高效，諧振電路的諧振頻率常常設(shè)置為低于開關(guān)頻率。

（3）半橋開關(guān)頻率小于振蕩頻率（fs＜fr）

當(dāng)fs＜fr時候，系統(tǒng)呈現(xiàn)容性。ir相位領(lǐng)先V1相位角|Ψ|，其中Ψ＜0.半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通順序為Q1-D1-Q2-D2-Q1.圖顯示了半橋振蕩逆變器的理論波形。當(dāng)vgs1由低變?yōu)楦邥r，Q1開啟，ir是正的，由流過D2轉(zhuǎn)為流過Q1。因為ir領(lǐng)先V1，所以在vgs1由高變?yōu)榈椭?，ir會變?yōu)榱?。?dāng)ir變?yōu)樨?fù)的時候，ir會由流過Q1，轉(zhuǎn)為流過D1，Q1自然關(guān)斷。而S1的電壓大約從1V變?yōu)?0.7V，而S2的電壓仍然為Vdc.所以Q1是零電壓關(guān)斷，沒有關(guān)斷損耗。當(dāng)vgs2由低變?yōu)楦邥r，Q2開啟。此時，ir由流過D1到流過Q2，S2上的電壓由Vdc減少為零。Q2是在一個等于Vdc的高電壓情況下開啟的，因此開關(guān)導(dǎo)通損耗不為零。一旦過S2電流變?yōu)樨?fù)，D2開啟，Q2自然關(guān)閉。從以上分析看到，開關(guān)MOS管的開啟是柵極信號強制的，而關(guān)閉是由對應(yīng)二極管開啟引起的。

一旦開關(guān)管沒有做到零電壓開關(guān)，就會出現(xiàn)這樣一些危害：

a.MOS管中二極管關(guān)斷時刻，其電壓由-0.7V變?yōu)閂dc。二極管關(guān)斷時，其上的電壓變化率dv/dt很大，將會產(chǎn)生一個高的反向恢復(fù)電流峰值，反向恢復(fù)應(yīng)力大。高電流峰值可能損壞開關(guān)管，并且引起開關(guān)損耗和噪音。

b.一般來說，每個開關(guān)管都有它的輸出電容。在開關(guān)管導(dǎo)通前，它的輸出電容充電到Vdc，因此，開關(guān)管導(dǎo)通時，它的輸出電容放電，引起了損耗CVdc2/2。

c.因為在導(dǎo)通瞬間，柵極電壓增加，開關(guān)管電壓降低，密勒效應(yīng)增大了開關(guān)管的輸入電容，增加了柵極驅(qū)動充電，所以降低了開關(guān)導(dǎo)通速度。

3.仿真驗證及結(jié)果分析

仿真原理圖如圖5所示，此時是對熒光燈點亮?xí)r的仿真，R9代表36WT8熒光燈點亮?xí)r的等效電阻，R1，R2，R3，R5，代表熒光燈管兩頭的燈絲電阻。此時諧振頻率為55KHZ，而仿真電感性和電容性特征的半橋頻率分別為60KHZ，40KHZ，仿真結(jié)果分別見圖6、圖7，其結(jié)果與前面的分析一致。

4.結(jié)論

從本文的分析和仿真可以看出，電子鎮(zhèn)流器設(shè)計中要把半橋逆變器的頻率設(shè)置為大于串聯(lián)諧振電路振蕩頻率，提高能效，不僅能達(dá)到節(jié)能減排的目的，還能保證半橋電路開關(guān)管的使用安全。

[1]毛興武,祝大衛(wèi).新型電子鎮(zhèn)流器電路原理與設(shè)計[M].北京:人民郵電出版社,2007.