電子鎮流器中半橋逆變器與諧振電路的頻率匹配

北方工業大學信息工程學院微電子學系 李 通 王 宇 戚海洋 孫 濤

1.引言

電子鎮流器應用廣泛，是我們現在日常照明主要使用的器件，從各個環節上提高它的能效，延長它的使用壽命都至關重要。熒光燈管與高頻電子鎮流器的非阻抗匹配性質，導致在負載燈管一端引入電感電容，使之與電子鎮流器阻抗匹配[1]。為了提高能效，提高電子鎮流器的使用可靠性，在電子鎮流器的設計中，電子鎮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為通過鎮流器中芯片PFC控制后升壓直流電壓，vgs1，vgs2為半橋開關的控制信號，其中D1，D2為MOS管分立器件內部本身帶的二極管。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。

電子鎮流器的工作電路存在兩種振蕩頻率：一種是半橋開關頻率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電路的負載，因此，工作頻率與諧振頻率之間存在以下三種關系：

（1）半橋開關頻率等于振蕩頻率（fs=fr）

當fs=fr的時候，系統呈現阻性。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關閉，Q2開啟。ir電流方向變為負向，流過Q2。MOS開關管導通順序為Q1-Q2-Q1，開關在零電流時候開和關，導致零開關損耗，能效更高。不過，在實際應用中，頻率的偏差和兩個開關管之間的死區時間，這樣的開關狀態是幾乎不存在的。

（2）半橋開關頻率大于振蕩頻率（fs＞fr）

圖1 電子鎮流器中半橋逆變器與串聯諧振電路簡圖

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 電感性仿真結果

圖7 電容性仿真結果

當fs＞fr的時候，系統呈感性。ir落后于V1相位角Ψ，Ψ＞0。半導體器件導通順序為D1-Q1-D2-Q2-D1.圖上示意了半橋振蕩逆變電路理論波形。當vgs2由高變為低時，Q2關閉。此時，ir是負的，并且由流經Q2流經D1。在短暫的死區時間階段后，vgs1由低變為高。雖然這樣，Q1并沒有立即導通，直到ir變為0，D1關閉，然后Q1導通，ir流過Q1.在D1導通時候，S1上的壓降等于D1的導通壓降，約為-0.7V，因此，Q1是零電壓導通。當vgs1由高變為低時，Q1關閉。此時，ir由流經Q1轉為流經S2，而vs1增加，vs2減少。當vs2減少為-0.7V時候，D2導通，ir流過D2。從以上分析看到，MOS開關管的關閉是由柵極信號強制的，而開啟是由對應的二極管的關斷引起的。

這種模式下開關管有零電壓導通的優點，因此，開關管的導通損耗接近于零。由于密勒效應沒起作用，MOS開關管的輸入電容不會因為密勒效應而增加，所以柵驅動能量低，開關速度快。振蕩電流方向改變在低電流變化率di/dt下實現，所以二極管是自然關閉，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。

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

（3）半橋開關頻率小于振蕩頻率（fs＜fr）

當fs＜fr時候，系統呈現容性。ir相位領先V1相位角|Ψ|，其中Ψ＜0.半導體器件的導通順序為Q1-D1-Q2-D2-Q1.圖顯示了半橋振蕩逆變器的理論波形。當vgs1由低變為高時，Q1開啟，ir是正的，由流過D2轉為流過Q1。因為ir領先V1，所以在vgs1由高變為低之前，ir會變為零。當ir變為負的時候，ir會由流過Q1，轉為流過D1，Q1自然關斷。而S1的電壓大約從1V變為-0.7V，而S2的電壓仍然為Vdc.所以Q1是零電壓關斷，沒有關斷損耗。當vgs2由低變為高時，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，因此開關導通損耗不為零。一旦過S2電流變為負，D2開啟，Q2自然關閉。從以上分析看到，開關MOS管的開啟是柵極信號強制的，而關閉是由對應二極管開啟引起的。

一旦開關管沒有做到零電壓開關，就會出現這樣一些危害：

a.MOS管中二極管關斷時刻，其電壓由-0.7V變為Vdc。二極管關斷時，其上的電壓變化率dv/dt很大，將會產生一個高的反向恢復電流峰值，反向恢復應力大。高電流峰值可能損壞開關管，并且引起開關損耗和噪音。

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

c.因為在導通瞬間，柵極電壓增加，開關管電壓降低，密勒效應增大了開關管的輸入電容，增加了柵極驅動充電，所以降低了開關導通速度。

3.仿真驗證及結果分析

仿真原理圖如圖5所示，此時是對熒光燈點亮時的仿真，R9代表36WT8熒光燈點亮時的等效電阻，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，仿真結果分別見圖6、圖7，其結果與前面的分析一致。

4.結論

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

[1]毛興武,祝大衛.新型電子鎮流器電路原理與設計[M].北京:人民郵電出版社,2007.