求：电子镇流器半桥逆变输入电路

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电子镇流器半桥逆变输入电路分析与设计
[日期：2006-11-27] 来源：电源技术应用 作者：周云正 [字体：大 中 小]
摘要：电子镇流器半桥逆变输入电路决定整机工作频率,是影响开关功率管逆变的重要因素.通过对脉冲变压器及理想激励电流波形的分析,如何提高转换速率,阻尼振荡予以讨论,指出目前存在的设计误区,做出减少共态导通与开关损耗的新设计.
关键词：转换速率；阻尼振荡；共态导通；开关损耗；新设计
0 引言 众所周知,电子镇流器半桥逆变输入电路极为重要,它直接关系到整机的工作频率、开关损耗、转换效率、输出功率；同时对EMC、THD、PF等主要技术指标也有一定影响.目前比较实用的技术方案是双极型晶体管作半桥联接,由磁环构成脉冲变压器反馈产生自激振荡,输出高频脉冲电流供荧光灯管作光电转换.由于晶体管基区的存储效应,延迟了关断时间；集电结电容使输出脉冲电流对输入端构成不良影响；特别是输入电路中的脉冲变压器,当半桥逆变电路工作时,开关电流在其初级绕组中产生振铃,其正峰值与基区存储的正电荷合力促使开关管延迟关断,或重复导通,这就造成“共态导通”,轻则开关损耗增大,三极管发烫,重则开机就进入二次击穿,而且任何保护电路对它都无能为力.
为此,研究开关管迅速导通、彻底关断的理想激励条件,设计由双极型晶体管构成的电子镇流器半桥逆变输入电路最佳方案很有必要.
1 开关管迅速导通的激励条件
双极型晶体管的电流放大系数β值并非是一个常量,而是随信号频率的增大而减小的.当基极注入阶跃电流Ib时,集电极电流ic上升随时间的变化是非线性的,即
ic（t）=βoIb（1－）（1）
式中：βo为低频时的β值；
ωo=2πfβ(fβ为晶体管共射电路截止频率).
若令 Tce=1/ωo,
则 ic（t）=βoIb(1－)（2）
式（2）表明,基极注入阶跃电流Ib时,集电极电流ic按指数规律逐渐上升到最大值βoIb.若令开启时间tk为集电极电流ic从零上升到最大值βoIb的90％所需时间,上式改写为
0.9βoIb=βoIb(1－)（3）
解式（3）得 tk=2.3Tce（4）
根据式（4）作出图1是基极阶跃电流Ib对ic的影响.
（a）基极阶段电流Ib （b）集电极电流ic
图1 Ib对ic的影响
举例：电子镇流器常用晶体管MJE13005的βo=20,fT=4MHz,
则fβ=fT/β=4MHz/20=200kHz,
Tce=1/ωo=1/2πfβ≈0.80μs,
故tk=2.3Tce≈1.84μs
工作在30kHz左右的电子镇流器,单个脉宽为16.7μs,开启时间占11％是比较长的.而开启时间越长,开关损耗随着增大.如果加大注入阶跃电流ib为临界饱和电流Ib的N倍,可以使开启时间tk相应缩短,即
βoIb=βoNIb（1－）（5）
解式（6）得 tk=Tceln（6）
图2是过激励对开启时间的影响,从曲线图中看出：N>2时,tk的减小不太明显了.反之,激励过大,又引起开关管的深度饱和,并消耗太多的激励功率.对于电子镇流器逆变电路,取N=2是合适的,即
ic≥（7）
式中：Icp为开关管工作时集电极电流峰值.
（a）激励电流 （b）倍数N的影响
图2 过激励对开启时间的影响
以MJE13005管为例,取过激励倍数N=2,则tk=Tceln=0.8μs×ln2≈0.8μs×0.7=0.56μs,这一计算结果与图2所示曲线相似,它仅为原开启时间的3/10.
2 开关管迅速截止的激励条件
开关管从导通到截止的物理过程与开启时基本相同.由于基区存储效应和集电结电容的影响,导通时的集电极电流维持在饱和值Ic=βoIb,当基极注入电流Ib突然下降为零,ic不可能突变为零,而是按指数规律下降：
ic=Ic（8）
若规定下降时间tx的定义域是：当ic降到βoIb的1/10时所需的时间,即
0.1β