电子镇流器中半桥逆变器与谐振电路的频率匹配

北方工业大学信息工程学院微电子学系 李 通 王 宇 戚海洋 孙 涛

1.引言

电子镇流器应用广泛，是我们现在日常照明主要使用的器件，从各个环节上提高它的能效，延长它的使用寿命都至关重要。荧光灯管与高频电子镇流器的非阻抗匹配性质，导致在负载灯管一端引入电感电容，使之与电子镇流器阻抗匹配[1]。为了提高能效，提高电子镇流器的使用可靠性，在电子镇流器的设计中，电子镇流器的振荡频率与谐振电路的振荡相匹配显得非常重要。

2.半桥逆变器与谐振电路的频率分析

电路基本图如图一所示，Vdc为通过镇流器中芯片PFC控制后升压直流电压，vgs1，vgs2为半桥开关的控制信号，其中D1，D2为MOS管分立器件内部本身带的二极管。半桥逆变电路输出的方波电压可用傅里叶级数表示为直流和交流之和而其中f为逆变器的工作频率。半桥逆变器输出是个包含了直流项的方波电压，所以加了个隔直电容C2。方波电压的直流项在灯管点火前，使得灯上的压降包括了这个直流电压项，因此获得了更高的点火电压。点火成功后，该直流电压项不会增加灯管的压降，所以点亮后，只考虑方波电压交流成分的影响。方波电压的交流成分几乎所有的谐波项都会被谐振电路滤掉，只有基波成分在谐振电路里起作用。因此，该电路使用基波电压来近似分析。

电子镇流器的工作电路存在两种振荡频率：一种是半桥开关频率fs（简称工作频率）；另一种是灯管，限流电感（L）和启动电容（C）之间的谐振频率fr（简称谐振频率）。由于谐振电路是半桥开关电路的负载，因此，工作频率与谐振频率之间存在以下三种关系：

（1）半桥开关频率等于振荡频率（fs=fr）

当fs=fr的时候，系统呈现阻性。振荡电路电流ir与基波电压V1同相，他们之间相位角Ψ为0.图上示意了半桥振荡逆变电路理论波形。从图上看到，当ir等于0时候，Q1开启，ir从0上升，流过Q1.一旦ir再次到0，Q1关闭，Q2开启。ir电流方向变为负向，流过Q2。MOS开关管导通顺序为Q1-Q2-Q1，开关在零电流时候开和关，导致零开关损耗，能效更高。不过，在实际应用中，频率的偏差和两个开关管之间的死区时间，这样的开关状态是几乎不存在的。

（2）半桥开关频率大于振荡频率（fs＞fr）

图1 电子镇流器中半桥逆变器与串联谐振电路简图

图2 电阻性分析

图3 电感性分析

图4 电容性分析

图5 仿真原理图

图6 电感性仿真结果

图7 电容性仿真结果

当fs＞fr的时候，系统呈感性。ir落后于V1相位角Ψ，Ψ＞0。半导体器件导通顺序为D1-Q1-D2-Q2-D1.图上示意了半桥振荡逆变电路理论波形。当vgs2由高变为低时，Q2关闭。此时，ir是负的，并且由流经Q2流经D1。在短暂的死区时间阶段后，vgs1由低变为高。虽然这样，Q1并没有立即导通，直到ir变为0，D1关闭，然后Q1导通，ir流过Q1.在D1导通时候，S1上的压降等于D1的导通压降，约为-0.7V，因此，Q1是零电压导通。当vgs1由高变为低时，Q1关闭。此时，ir由流经Q1转为流经S2，而vs1增加，vs2减少。当vs2减少为-0.7V时候，D2导通，ir流过D2。从以上分析看到，MOS开关管的关闭是由栅极信号强制的，而开启是由对应的二极管的关断引起的。

这种模式下开关管有零电压导通的优点，因此，开关管的导通损耗接近于零。由于密勒效应没起作用，MOS开关管的输入电容不会因为密勒效应而增加，所以栅驱动能量低，开关速度快。振荡电流方向改变在低电流变化率di/dt下实现，所以二极管是自然关闭，所以一个较慢的二极管就够了，直插MOS管中自带的二极管就够了。

虽然开关管的导通损耗接近于零，可是开关管关断时候却不一样。关断时，开关管电压和电流波形却有重叠，引起了关断损耗。密勒效应也要考虑，增加了开关管的输入电容，增加了栅极驱动需要的能量，降低了关断速度。尽管如此，为了实现高效，谐振电路的谐振频率常常设置为低于开关频率。

（3）半桥开关频率小于振荡频率（fs＜fr）

当fs＜fr时候，系统呈现容性。ir相位领先V1相位角|Ψ|，其中Ψ＜0.半导体器件的导通顺序为Q1-D1-Q2-D2-Q1.图显示了半桥振荡逆变器的理论波形。当vgs1由低变为高时，Q1开启，ir是正的，由流过D2转为流过Q1。因为ir领先V1，所以在vgs1由高变为低之前，ir会变为零。当ir变为负的时候，ir会由流过Q1，转为流过D1，Q1自然关断。而S1的电压大约从1V变为-0.7V，而S2的电压仍然为Vdc.所以Q1是零电压关断，没有关断损耗。当vgs2由低变为高时，Q2开启。此时，ir由流过D1到流过Q2，S2上的电压由Vdc减少为零。Q2是在一个等于Vdc的高电压情况下开启的，因此开关导通损耗不为零。一旦过S2电流变为负，D2开启，Q2自然关闭。从以上分析看到，开关MOS管的开启是栅极信号强制的，而关闭是由对应二极管开启引起的。

一旦开关管没有做到零电压开关，就会出现这样一些危害：

a.MOS管中二极管关断时刻，其电压由-0.7V变为Vdc。二极管关断时，其上的电压变化率dv/dt很大，将会产生一个高的反向恢复电流峰值，反向恢复应力大。高电流峰值可能损坏开关管，并且引起开关损耗和噪音。

b.一般来说，每个开关管都有它的输出电容。在开关管导通前，它的输出电容充电到Vdc，因此，开关管导通时，它的输出电容放电，引起了损耗CVdc2/2。

c.因为在导通瞬间，栅极电压增加，开关管电压降低，密勒效应增大了开关管的输入电容，增加了栅极驱动充电，所以降低了开关导通速度。

3.仿真验证及结果分析

仿真原理图如图5所示，此时是对荧光灯点亮时的仿真，R9代表36WT8荧光灯点亮时的等效电阻，R1，R2，R3，R5，代表荧光灯管两头的灯丝电阻。此时谐振频率为55KHZ，而仿真电感性和电容性特征的半桥频率分别为60KHZ，40KHZ，仿真结果分别见图6、图7，其结果与前面的分析一致。

4.结论

从本文的分析和仿真可以看出，电子镇流器设计中要把半桥逆变器的频率设置为大于串联谐振电路振荡频率，提高能效，不仅能达到节能减排的目的，还能保证半桥电路开关管的使用安全。

[1]毛兴武,祝大卫.新型电子镇流器电路原理与设计[M].北京:人民邮电出版社,2007.