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新型逆變式電子鎮(zhèn)流器

 杜銘源 2013-09-19
 
 
 

      摘要:介紹一種新型逆變式電子鎮(zhèn)流器電路結(jié)構(gòu),該電子鎮(zhèn)流器利用電感、電容和二極管構(gòu)成的輔助電路實(shí)現(xiàn)輸入電流波形的校正并使功率開(kāi)關(guān)管工作在零電壓開(kāi)關(guān)狀態(tài),具有高功率因數(shù)、高工作效率、低波峰系數(shù)和電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。分析了電路的工作原理,介紹了電路參數(shù)設(shè)計(jì)方法,給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

      1 引言

      由于電子鎮(zhèn)流器具有較高的燈光效、高的功率因數(shù)、重量輕、無(wú)閃爍、無(wú)噪聲和使用電壓范圍較寬(170270V)等優(yōu)點(diǎn),在我國(guó)已得到廣泛的應(yīng)用。電子鎮(zhèn)流器功率雖小,但使用量極大。因而其性能好壞直接影響到節(jié)電效果和對(duì)電網(wǎng)污染的程度。本文介紹的電子鎮(zhèn)流器不但性能好,而且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低,具有較好的應(yīng)用前景。

      2 電路工作原理分析

      21 電路結(jié)構(gòu)

      新型逆變式電子鎮(zhèn)流器主電路如圖1所示,圖中CS為隔直電容,虛線所包圍的部分為實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)而附加的電路,電感L為一個(gè)能量傳輸者傳遞著電流,同時(shí)也起著提高直流電壓和電流波形校正的作用。兩個(gè)電容CxCY為兩個(gè)小型能量槽儲(chǔ)存一部分能量,這兩個(gè)能量槽在高頻方式下完成充放電功能。兩個(gè)二極管VDx、VDy引導(dǎo)電感電流進(jìn)入電解電容C或負(fù)載回路。由于附加能量處理單元的作用,使整流二極管導(dǎo)通角增大到180°。電感L中的電流是一個(gè)高頻振蕩波形,其平均值電流跟隨輸入電壓的波形,從而達(dá)到功率因數(shù)校正的目的。R1、C1、雙向觸發(fā)二極管VD4為觸發(fā)啟動(dòng)電路。

      22 工作過(guò)程

      為了分析方便,輸入電壓和整流橋被等效成Urec(t)VDr表示,其中Urec(t)=Uimsinωtㄧ,Uim為輸入電壓峰值,ω為輸入交流電壓頻率。燈負(fù)載回路等效成一個(gè)電流源電路,其電流表達(dá)式為io(t)=Iomsinωot(Iom為負(fù)載電流幅值,ωo為功率管開(kāi)關(guān)頻率)。由于逆變電路開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)比輸入交流電壓頻率高,在分析過(guò)程的每一開(kāi)關(guān)周期中可認(rèn)為輸入電壓是近似不變的。又由于該逆變電路在輸入電壓峰值附近和輸入電壓瞬時(shí)值較低時(shí)的工作狀態(tài)略有不同,分析時(shí)按兩種情況討論。對(duì)應(yīng)的等效電路圖及工作波形圖分別如圖2和圖3所示。

      第一種工作情況:這種工作情況對(duì)應(yīng)于輸入電壓瞬時(shí)值較低時(shí)的工作狀態(tài)。整個(gè)工作過(guò)程分五個(gè)階段,此種情況下Ucx最大值低于電解電容C兩端直流電壓Udc,而且電感電流iL是斷續(xù)的。

      (1)階段 功率管VF2導(dǎo)通并同時(shí)通過(guò)iLiO電流, CxiL充電,而CY電壓被箝位于零,在這一階段結(jié)束時(shí),電感電流諧振到零,Cx上電壓達(dá)到最大值,VDrVDy關(guān)閉。

      (2)階段 負(fù)載電流流過(guò)功率管VF2iL保持為零。在這一階段結(jié)束時(shí),關(guān)斷VF2。

      (3)階段 VF2關(guān)斷后,Cx通過(guò)負(fù)載回路放電,Ucx下降。

      (4)階段 隨著Ucx的下降,當(dāng)整流電壓高于Ucx時(shí),VDr導(dǎo)通,入端電流通過(guò)電感開(kāi)始對(duì)CXCY充電。由于Cx中放電電流大于充電電流,因此Ucx繼續(xù)下降直到零為止,此時(shí)VD1導(dǎo)通。

      (5)V階段 VD1導(dǎo)通后,VD1中流過(guò)的電流為負(fù)載電流與電感電流之差,隨著負(fù)載電流的減小和電感電流的上升,在這一階段結(jié)束時(shí),VDl續(xù)流結(jié)束。功率管VFl開(kāi)始導(dǎo)通進(jìn)入后半周期。由于后半周期工作與前半周期相似,不再詳述。

      第二種工作情況:此種工作情況對(duì)應(yīng)于輸入電壓在峰值附近時(shí)的工作狀態(tài)。整個(gè)工作過(guò)程分四個(gè)階段,在這種情況下,Ucx的最大值能達(dá)到電解電容C兩端直流電壓Udc,電感電流是連續(xù)的。

      (1)1階段 VF2導(dǎo)通,在此之前Cx上電壓已經(jīng)升高并鉗位于Udc。因?yàn)?/SPAN>CCx大得多,所以電感電流都經(jīng)C通過(guò),因此VF2僅僅通過(guò)負(fù)載電流。在這一階段結(jié)束時(shí),關(guān)斷VF2

      (2)階段 VF2關(guān)斷后,CX中能量向負(fù)載放電,電感電流向Cy充電。由于此階段為輸入電壓的峰值附近,所以電感電流也處在峰值附近,對(duì)CY的充電速率加大。在此階段中UcxUCY之和接近于但小于Udc。而在本階段結(jié)束時(shí), UcxUCY之和達(dá)到Udc,使VDy導(dǎo)通。

      (3)階段 VDy導(dǎo)通后,使電感電流通過(guò)C形成通路。而Cx又通過(guò)負(fù)載回路放電,在這一階段結(jié)束時(shí), Ucx已降為零, UCY升到Udc,使VD1導(dǎo)通。

      (4)階段 VD1開(kāi)始續(xù)流,續(xù)流電流為負(fù)載電流與電感電流的差值,當(dāng)VD1續(xù)流結(jié)束時(shí),功率管VFl導(dǎo)通,進(jìn)入后半周期。

      3 電路工作特點(diǎn)

      (1)功率管工作在零電壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)。功率管在反并聯(lián)二極管續(xù)流時(shí)開(kāi)通,可以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。功率管VF2關(guān)斷時(shí),其電流iVF2瞬間下降為零,原來(lái)流過(guò)VF2的電流轉(zhuǎn)向?qū)?/SPAN>CX放電。VF2的漏源電壓為Udc減去Ucx,使VF2漏源電壓以某一斜率上升,這個(gè)斜率的大小取決于CX放電速率的大小,這就保證了VF2關(guān)斷時(shí)漏極電流與漏源電壓交疊幾乎很小,達(dá)到了零電壓關(guān)斷的效果。

      (2)高功率因數(shù)。在每一開(kāi)關(guān)周期內(nèi),電容CxCY先是儲(chǔ)存能量,然后再把存儲(chǔ)的能量傳送到負(fù)載。整流二極管導(dǎo)通角可達(dá)到半周期。由于能量處理單元所儲(chǔ)存的能量主要對(duì)電解電容C和負(fù)載放電,因此功率開(kāi)關(guān)管的電流等級(jí)與普通電子整流器相同。

      (3)與普通泵式電子整流器相比, C兩端直流電壓偏低,有利于降低對(duì)功率管耐壓的要求。

      (4)燈電流波峰系數(shù)較小。

      4 電路主要參數(shù)計(jì)算

      假設(shè)負(fù)載電流與電感電流在正半周的兩個(gè)交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度分別為:a πa。根據(jù)電容上電壓電流的關(guān)系可得:Cx=[Iomc

 

 

淺談電子鎮(zhèn)流器的工作原理

 

 

 

編者按:近年來(lái),電子鎮(zhèn)流熒光燈行業(yè)持續(xù)大發(fā)展,產(chǎn)品水平不斷提高,中國(guó)在世界上作為節(jié)能燈大國(guó)的地位已經(jīng)確立。但要進(jìn)一步成為節(jié)能燈強(qiáng)國(guó),就需要對(duì)產(chǎn)品技術(shù)和相應(yīng)的技術(shù)基礎(chǔ)理論進(jìn)行進(jìn)一步的探索。在對(duì)燈用三極管損壞機(jī)理的深入研討中,筆者感到以前對(duì)熒光燈電子鎮(zhèn)流器工作原理的描述越來(lái)越滿足不了需要,其中甚至還有謬誤之處,有必要對(duì)其進(jìn)行更深入仔細(xì)的研究探討。為避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo),文中用較多的實(shí)測(cè)波形圖加以說(shuō)明。

電子鎮(zhèn)流器工作最基本的原理是把50Hz的工頻交流電,變成20~50kHz的較高頻率的交流電,半橋串聯(lián)諧振逆變電路中,上、下兩個(gè)三極管在諧振回路電容、電感、燈管、磁環(huán)的配合下輪流導(dǎo)通和截止,把工頻交流電整流后的直流電變成較高頻率的交流電。但是,具體工作過(guò)程中,不少書(shū)刊都把諧振回路電容充放電作為主要因素來(lái)描述,甚至認(rèn)為“振蕩電路的振蕩頻率是由振蕩電路充放電的時(shí)間常數(shù)決定的。實(shí)事上,諧振回路電容充電和放電是變流過(guò)程中的一個(gè)重要因素,但不能說(shuō)振蕩電路的振蕩頻率就是由振蕩電路的充放電時(shí)間常數(shù)決定的,電路工作狀態(tài)下可飽和脈沖變壓器(磁環(huán))磁導(dǎo)率變化曲線的飽和點(diǎn)和三極管的存儲(chǔ)時(shí)間ts是工作周期的重要決定因素。

三極管開(kāi)關(guān)工作的具體過(guò)程中,不少書(shū)刊認(rèn)為“基極電位轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)電位使導(dǎo)通三極管轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂?,“T1(磁環(huán))飽和后,各個(gè)繞組中的感應(yīng)電勢(shì)為零”“VT1基極電位升高,VT2基極電位下降”;然而,筆者認(rèn)為實(shí)際工作情況不是這樣的。

1、三極管開(kāi)關(guān)工作的三個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)

1.1、三極管怎樣由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂?SPAN lang=EN-US>——第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)

如圖1所示,不管是用觸發(fā)管DB3產(chǎn)生三極管的起始基極電流Ib,還是基極回路帶電容的半橋電路由基極偏置電阻產(chǎn)生三極管VT2的起始基極電流Ib,三極管的Ib產(chǎn)生集電極電流Ic,通過(guò)磁環(huán)繞組感應(yīng),強(qiáng)烈的正反饋使Ic迅速增長(zhǎng),三極管導(dǎo)通,那么三極管是怎樣由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂沟模?o:p>

實(shí)踐證明,三極管導(dǎo)通后其集電極電流Ic增長(zhǎng),其導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂沟倪^(guò)程有兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),首先是可飽和脈沖變壓器(磁環(huán))磁導(dǎo)率μ的飽和點(diǎn)。

圖2中,上面為磁環(huán)磁化曲線(B-H)及磁導(dǎo)率μ-H變化曲線,μ=B/H,所以μ就是B-H曲線的斜率。開(kāi)始時(shí)μ隨著外場(chǎng)H的增加而增加,當(dāng)H增大到一定值時(shí)μ達(dá)到最大,其最大值為μ-H曲線的峰值,即可飽和脈沖變壓器磁導(dǎo)率的峰值。此后,外場(chǎng)H增加,μ減小。在電子鎮(zhèn)流熒光燈電路中,磁環(huán)工作在可飽和狀態(tài),在每次磁化過(guò)程中,其μ值必須過(guò)其峰值。

在初期,可飽和脈沖變壓器(磁環(huán))磁導(dǎo)率隨著Ic的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)(圖2);Ic增長(zhǎng)到一定值,可飽和脈沖變壓器的磁導(dǎo)率μ過(guò)圖2中峰值點(diǎn),磁環(huán)繞組感應(yīng)電壓V環(huán)=-Ldi/dt,而磁環(huán)繞組電感量L=μN2S/ι(此公式還說(shuō)明了磁環(huán)尺寸在這方面的作用),也就是說(shuō)磁環(huán)繞組感應(yīng)電壓與可飽和脈沖變壓器(磁環(huán))磁導(dǎo)率μ成正比,磁環(huán)繞組感應(yīng)電壓V環(huán)過(guò)峰值(關(guān)于磁環(huán)繞組內(nèi)電流的情況在后文說(shuō)明,這里先以實(shí)測(cè)波形圖說(shuō)明),三極管基極電流Ib同步過(guò)峰值(圖2、圖3),圖2下半部分為三極管Vce、Ic、Ib波形圖,圖2上半部分和下半部分有一根垂直的連線,把基極電流Ib的峰值點(diǎn)和可飽和脈沖變壓器的磁導(dǎo)率μ的峰值點(diǎn)連到了一起,這是外部電路改變?nèi)龢O管工作狀態(tài)的重要信號(hào)點(diǎn),也就是三極管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂沟牡谝粋€(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。隨著V環(huán)的下降Ib也下降,但這時(shí)基區(qū)內(nèi)部的電壓仍然是正的,當(dāng)磁環(huán)繞組感應(yīng)電壓V環(huán)低于基區(qū)內(nèi)部的電壓時(shí)(基區(qū)外電路所加電壓下降到低于基區(qū)內(nèi)部的電壓,但仍然是正的),少數(shù)的載流子就從基區(qū)流出,基極電流反向?yàn)樨?fù)值Ib2(圖3深色曲線2);圖3顯示了三極管基極電流Ib峰值(深色曲線2)和磁環(huán)繞組感應(yīng)電壓峰值(淺色曲線1)是同步的,過(guò)峰值后基極電流反向?yàn)樨?fù)值。在這期間,基區(qū)電流(稱為IB2)是負(fù),但是Vce維持在飽和壓降Vcesat(圖4淺色曲線1),而Ic電流正常流動(dòng)(圖4深色曲線2),這時(shí)期對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)時(shí)間(Tsi)。在這段時(shí)間Vbe始終是正的,但是基區(qū)電流(稱為IB2)是負(fù)的。有的書(shū)上說(shuō)導(dǎo)通管的關(guān)閉是因?yàn)槠浠鶚O電位轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)電位,也有的說(shuō)T1(磁環(huán))飽和后,各個(gè)繞組中的感應(yīng)電勢(shì)為零”,這不符合實(shí)際情況,從波形圖上我們可以清楚地看到這段時(shí)間Vbe始終是正的。導(dǎo)通管的基極電位轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)電位是在Ic存儲(chǔ)結(jié)束,流過(guò)磁環(huán)繞組的電流達(dá)到峰值-Ldi/dt等于零的時(shí)刻之后,而不是在Ic存儲(chǔ)剛開(kāi)始的時(shí)刻。

不少書(shū)刊說(shuō)導(dǎo)通管的關(guān)閉是因?yàn)槠浠鶚O電位轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)電位,這里多加幾幅插圖來(lái)說(shuō)明。

從圖5可以看到在整個(gè)三極管集電極電流Ic導(dǎo)通半周期內(nèi),其基極電壓Vbe都是正的,一直到Ic退出飽和開(kāi)始下降;從圖6可以看到在整個(gè)三極管集電極電流Ic導(dǎo)通半周期內(nèi),其磁環(huán)繞組感應(yīng)電壓V環(huán)也都是正的,一直到Ic退出飽和才開(kāi)始下降變負(fù)。

比較圖5和圖6可以看到在三極管集電極電流Ic接近最大值,也就是三極管進(jìn)入存儲(chǔ)工作階段時(shí)Vbe>V環(huán),這也可以用來(lái)解釋IB2是負(fù)值的原因。

基極電流反向?yàn)樨?fù)值是因?yàn)槿龢O管進(jìn)入存儲(chǔ)工作階段時(shí)Vbe>V環(huán),但是,由于V環(huán)是正的,所以基極電流反向電流是“流出來(lái),而不是“抽出來(lái)的。

磁環(huán)次級(jí)繞組電壓是由流經(jīng)電感的電流-di/dt所決定,過(guò)零點(diǎn)在峰值點(diǎn),即電流平頂點(diǎn)(圖7);經(jīng)過(guò)電感流向燈管的電流IL,在磁環(huán)繞組和扼流電感上產(chǎn)生感應(yīng)電壓,其過(guò)零點(diǎn)為IL的峰值頂點(diǎn)(di/dt=0)(圖8),這里也可以看到V環(huán)變負(fù)的真正時(shí)間。

1.2 三極管從存儲(chǔ)結(jié)束退出飽和,到三極管被徹底關(guān)斷(tf)——第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)及第三個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)

(1)三極管進(jìn)入存儲(chǔ)時(shí)間階段,Ib變?yōu)樨?fù)值并一直維持(圖4淺色曲線A);三極管存儲(chǔ)結(jié)束退出飽和:當(dāng)Ib負(fù)電流絕對(duì)值開(kāi)始減小的時(shí)刻(圖4淺色曲線A),也就是Ic存儲(chǔ)結(jié)束開(kāi)始減小(圖4深色曲線2),Vce離開(kāi)飽和壓降Vcesat開(kāi)始上升的時(shí)刻(圖4淺色曲線1),這也就是三極管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂沟牡诙€(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。整個(gè)過(guò)程也由兩部分組成,開(kāi)始很快降低,后面還有很長(zhǎng)一段電流很小的拖尾。

當(dāng)沒(méi)有殘余電荷在基區(qū)里面時(shí),IB2衰減到零,而Ic也為零,這是下降時(shí)間,三極管被徹底關(guān)斷,BC結(jié)承擔(dān)電路電源電壓,一般應(yīng)為310V左右(圖4淺色曲線A上毛刺對(duì)應(yīng)的時(shí)刻淺色曲線1Vce值為314V))。也就是三極管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂沟牡谌齻€(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

在第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)到第三個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)這段時(shí)間,Vce離開(kāi)飽和壓降Vcesat,開(kāi)始上升到電路電源電壓。(圖4淺色曲線1)

(2)電感電流IL與上下兩個(gè)三極管集電極電流Ic1、Ic2的關(guān)系,C3R2的作用(關(guān)斷過(guò)程之二):

在第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)與第三個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)之間Ic1Ic2的波形有一個(gè)缺口,IL波形沒(méi)有缺口。

三極管Ic存儲(chǔ)結(jié)束,電流開(kāi)始快速下降,后面還有很長(zhǎng)一段電流很小的拖尾;這時(shí)另一個(gè)三極管仍然是截止的,還沒(méi)有開(kāi)始導(dǎo)通,這樣就會(huì)造成一個(gè)電流缺口(圖9)。但是電感L上的電流是不可能中斷的,這個(gè)缺口由上管CE之間的R2C3的充放電電流來(lái)填補(bǔ)(圖10)。

上管從Ic存儲(chǔ)結(jié)束,Vce開(kāi)始上升,整個(gè)過(guò)程也由兩部分組成,開(kāi)始很快降低,后面還有很長(zhǎng)一段電流很小的拖尾,Vce從零上升到310V,C3也得充電到310V,其充電電流即為填補(bǔ)缺口的那部分電流(圖10),電感L中的電流得以平滑過(guò)渡。Vce從零上升到310V,C3也得以充電到310V的那一時(shí)刻,其充電電流被關(guān)斷。VT1從截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通時(shí),R2C3放電,其放電電流填補(bǔ)電流缺口。

對(duì)于這一點(diǎn),有的書(shū)上是這樣說(shuō)的:“C3R2組成相位校正網(wǎng)絡(luò),使輸出端產(chǎn)生的基頻電壓同相說(shuō)的應(yīng)該就是這個(gè)意思。

R2C3的存在,實(shí)際上也避免了兩個(gè)三極管電流的重疊,即一個(gè)三極管尚未關(guān)斷,另一個(gè)三極管已經(jīng)導(dǎo)通,所謂“共態(tài)導(dǎo)通的問(wèn)題,提供了一個(gè)“死區(qū)時(shí)間

二、三極管是怎樣由截止轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通的?有的書(shū)刊上說(shuō)是三極管基極通過(guò)磁環(huán)次級(jí)繞組“得到正電位的激勵(lì)信號(hào)電壓而迅速導(dǎo)通,實(shí)際上從三極管Ic存儲(chǔ)結(jié)束的這一時(shí)刻開(kāi)始,磁環(huán)次級(jí)繞組的電壓即過(guò)零開(kāi)始變?yōu)檎娢唬侵钡剑郑裕脖粡氐钻P(guān)斷那一刻以前,VT1一直沒(méi)有開(kāi)通。圖5、圖6中可以清楚地看到三極管產(chǎn)生集電極電流Ic的時(shí)刻落后于基極電壓Vbe(磁環(huán)繞組感應(yīng)電壓V環(huán))變正的時(shí)刻這一段時(shí)間。

確切地說(shuō),三極管產(chǎn)生集電極電流Ic(開(kāi)始開(kāi)通)的準(zhǔn)確時(shí)刻應(yīng)該是另一個(gè)三極管被徹底關(guān)斷的時(shí)刻。從整個(gè)電子鎮(zhèn)流熒光燈電路來(lái)說(shuō),這也就是前面所說(shuō)三極管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂沟牡谌齻€(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。從時(shí)間上來(lái)說(shuō)三極管產(chǎn)生集電極電流Ic(開(kāi)始開(kāi)通)的準(zhǔn)確時(shí)刻也就是R2C3上的充放電電流終了的時(shí)刻,而這個(gè)時(shí)刻也正是另一個(gè)三極管被徹底關(guān)斷的時(shí)刻。

從波形圖上看,三極管產(chǎn)生集電極電流Ic(開(kāi)始開(kāi)通)的時(shí)刻,正是電感L兩端電壓的峰值點(diǎn)(圖11)。

另一管Ic的開(kāi)通:電感L中的電流不能突變,而此時(shí)Vbe已為正,三極管產(chǎn)生一個(gè)反向電流,此時(shí)也正好是電感L兩端電壓的峰值點(diǎn)(圖11)。

為什么在電子鎮(zhèn)流熒光燈電路中三極管的上升時(shí)間tr我們不予以關(guān)注?從上面對(duì)三極管集電極電流Ic的開(kāi)通過(guò)程就可以得到答案。在這里,三極管集電極電流Ic的上升過(guò)程不符合三極管的上升時(shí)間tr的定義,因此tr在這里也就失去了它原來(lái)的意義。

由于從三極管Ic存儲(chǔ)結(jié)束的這一時(shí)刻開(kāi)始,磁環(huán)次級(jí)繞組的電壓即過(guò)零開(kāi)始變?yōu)檎娢?,但是在R2C3上的充放電電流終了那一刻以前,正常情況下VT1一直沒(méi)有開(kāi)通;必須注意的是,當(dāng)線路調(diào)整不好的時(shí)候,Ic會(huì)產(chǎn)生一個(gè)有害的毛刺。

2 三極管集電極電流Ic初始值的討論

帶電感負(fù)載的開(kāi)關(guān)三極管,在三極管關(guān)斷時(shí)因電感產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)會(huì)收到一個(gè)高電壓。但是,在目前國(guó)內(nèi)大量采用的電子鎮(zhèn)流熒光燈半橋電壓反饋電路中,開(kāi)關(guān)三極管電壓的選擇,是不考慮這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)的;在實(shí)際生產(chǎn)中,用世界上最好的示波器去觀察,也看不到高于整流濾波后電源電壓的波形;對(duì)于燈用三極管設(shè)計(jì)生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō),三極管的電壓參數(shù)選取得是否合理,關(guān)系到如何真正做到“低成本、高可靠;如果不切實(shí)際地把三極管的電壓參數(shù)選高了,用戶最需要的電流特性就會(huì)受到影響。那么,電路中的這個(gè)反電動(dòng)勢(shì),是通過(guò)什么渠道泄放掉的?在R2C3上的充放電電流終了后,實(shí)際上就是通過(guò)三極管集電極電流Ic初始值泄放的。(三極管CE并聯(lián)反向二極管的話,這個(gè)初始值被二極管分流一部分)。

由于電感L中的電流不能突變,三極管集電極電流Ic的初始值必須和R2C3上的充放電電流終了值一致。R2C3上的充放電電流的初始值在數(shù)值上與另一個(gè)三極管Ic的關(guān)斷終了值一致,但方向相反;而R2C3上的充放電電流的終了值與初始值相差不大,三極管集電極電流Ic一個(gè)很大的負(fù)電流初始值就是這樣來(lái)的。

這個(gè)很大負(fù)電流的流經(jīng)方式要分四種情況討論:
 
(1)三極管BE并聯(lián)反向二極管-三極管BC結(jié)(圖12);
 
(2)三極管CE并聯(lián)反向二極管(圖13);
 
(3)三極管BE、CE同時(shí)并聯(lián)反向二極管(圖14);
 
(4)三極管BE、CE都沒(méi)有并聯(lián)反向二極管(圖15)。

在這四種情況中,我們首先討論第一種情況:

從圖12、圖16可以看到,流經(jīng)三極管集電極的電流Ic從三極管BE之間的二極管流過(guò)(圖16)。三極管集電極-發(fā)射極電壓Vce加的是負(fù)電壓,三極管反向工作。

在這以前,人們一直在三極管的關(guān)斷功率損耗上做文章,降低三極管的關(guān)斷功率損耗,以提高可靠性。其實(shí)三極管反向工作這一段時(shí)間的反向功率損耗也應(yīng)該引起足夠的注意,因?yàn)檫@一段時(shí)間三極管上的工作電壓、電流、延續(xù)時(shí)間都比較可觀,因此其上的功率損耗也比較可觀。

實(shí)際生產(chǎn)中,不加BE反向二極管,有一定比例的三極管損壞,且是BE結(jié)損壞,就認(rèn)為是三極管BE反向耐壓不夠,這是誤解。應(yīng)該是負(fù)電流的流經(jīng)渠道不暢造成三極管功率損耗過(guò)大。

第二種情況,三極管CE并聯(lián)反向二極管(圖13):另一個(gè)三極管徹底關(guān)斷、R2C3充放電結(jié)束的時(shí)刻,電感IL內(nèi)的電流(相當(dāng)于R2C3充放電電流終了值)大部分流經(jīng)VD6(VD7),少部分仍然流經(jīng)三極管BC結(jié)(體現(xiàn)為三極管集電極電流Ic)。

第三種情況,三極管BE、CE同時(shí)并聯(lián)反向二極管(圖14):另一個(gè)三極管徹底關(guān)斷、R2C3充放電結(jié)束的時(shí)刻,電感IL內(nèi)的反向電流(相當(dāng)于R2C3充放電電流終了值)大部分流經(jīng)CE并聯(lián)反向二極管VD6(VD7),少部分仍然流經(jīng)三極管BE并聯(lián)反向二極管-三極管BC結(jié)(體現(xiàn)為三極管集電極電流Ic)。

第四種情況,采用DB3觸發(fā)的小功率節(jié)能燈在三極管功率余量足夠時(shí),可以不加BE反向二極管(圖15),這是因?yàn)樨?fù)電流有一個(gè)通過(guò)磁環(huán)次級(jí)繞組、基極電阻、三極管BC結(jié)的流經(jīng)渠道(圖17Ib剛開(kāi)始上跳時(shí)的波形),基極回路帶電容的半橋電路不能沒(méi)有BE并聯(lián)反向二極管。

采用BUL128D這一類帶續(xù)流二極管的抗過(guò)驅(qū)動(dòng)三極管,不要再加CE二極管。

三極管BE、CE并聯(lián)反向二極管(基極回路帶電容的半橋電路在BE并聯(lián)反向二極管上還串聯(lián)有電阻)對(duì)整個(gè)電路的工作狀況有很大影響,特別是會(huì)對(duì)燈管起輝和三極管電流波形產(chǎn)生影響。

3 Ic電流上升過(guò)程的討論

電路工作狀態(tài)下可飽和脈沖變壓器(磁環(huán))磁導(dǎo)率變化曲線的飽和點(diǎn)和三極管的存儲(chǔ)時(shí)間ts是工作周期的重要決定因素。那么什么是“電路工作狀態(tài)下?其實(shí)就是那個(gè)時(shí)候的Ic電流上升過(guò)程,更準(zhǔn)確地說(shuō)是流過(guò)磁環(huán)初級(jí)繞組的電流、三極管儲(chǔ)存階段流過(guò)的電流。這句話實(shí)際上包含了兩重意思:一方面肯定了可飽和脈沖變壓器(磁環(huán))磁導(dǎo)率變化曲線和三極管的存儲(chǔ)時(shí)間ts的重要性;另一方面也沒(méi)有否定電路其他元器件(電容、電感、燈管)對(duì)電路工作狀況的重要作用。

(1)下管VT2剛開(kāi)始導(dǎo)通時(shí),電路相當(dāng)于RLC串聯(lián)電路加上直流電壓(圖18):
電路電壓方程:
 
L+Ri+idt=u (各段壓降之和)
 
電壓平衡方程式是一個(gè)二階微分方程,它的解與u的形式和u的初始條件(K接通時(shí)的u值)有關(guān)。
 
加直流電壓(圖18)
 
電路電壓方程:
 
L+Ri+idt=U
 
瞬態(tài)電流分下列三種情況(圖19):
 ①
在R/2>時(shí)(過(guò)阻尼)?。椋剑澹粒簦螅?SPAN lang=EN-US>Υ
.t
 ②
在R/2=時(shí)(臨界阻尼)?。椋剑簦澹粒?/FONT>
 ③
在R/2>時(shí)(欠阻尼),根據(jù)電路的實(shí)際工作情況,符合該式
 
i=e-αtsinβ.t  
 
(振蕩頻率f=)
 
盡管加的是直流電壓,但電路中卻可能存在著振蕩電流。因?yàn)殡娐分写嬖谥娮?,所以其振幅是衰減的。

(2)下管VT2截止、上管VT1導(dǎo)通時(shí),電路相當(dāng)于電容充電后通過(guò)RL放電(圖20):
 
電路電壓方程:L+Ri+idt=0
 
瞬態(tài)電流為:當(dāng)R/2<時(shí) 
 
i=e-αtsinβt(衰減振蕩)
 
式中:α= β= γ= 
 
U0:電容上的初始電壓。

負(fù)載電流不但受燈動(dòng)態(tài)電阻RL影響,而且同時(shí)受可飽和脈沖反饋?zhàn)儔浩鳎ù怒h(huán))可變初級(jí)阻抗ZT、三極管存儲(chǔ)時(shí)間ts的調(diào)制。

瞬態(tài)電流通過(guò)有效磁導(dǎo)率μe變化對(duì)電路穩(wěn)態(tài)工作的控制作用:有效磁導(dǎo)率μe高,脈沖反饋?zhàn)儔浩鞒跫?jí)阻抗提高,較小的電流瞬時(shí)值就可以得到足夠的V環(huán),使電路提前轉(zhuǎn)換。開(kāi)關(guān)頻率提高,電流初始值下降。

開(kāi)關(guān)頻率的下降會(huì)使得燈電流增加,燈電流增加的同時(shí)又提高了脈沖反饋?zhàn)儔浩鞔呕瘓?chǎng)Hm。這樣,在電路負(fù)變化過(guò)程中得以實(shí)現(xiàn)一定程度的頻率反饋。

可以利用電路方程進(jìn)行更深入的討論,公式本身是可信的,但如何將電路的實(shí)際工作狀況轉(zhuǎn)換成準(zhǔn)確的電路模型卻是很困難的。

要準(zhǔn)確地描繪出流經(jīng)三極管的電流變化曲線實(shí)際上是很困難的,因?yàn)樗茌^多因素的影響。數(shù)學(xué)推導(dǎo)公式中的R在燈啟輝后兩端還并聯(lián)有一個(gè)電容C;除了數(shù)學(xué)推導(dǎo)公式中已經(jīng)提到的諸因素以外,其實(shí)三極管并不是一個(gè)單純的開(kāi)關(guān),燈管也不是一個(gè)純電阻R,燈絲溫度、負(fù)阻特性、點(diǎn)火電壓等因素都會(huì)嚴(yán)重影響電流變化曲線。這里只提供了一個(gè)思路,還沒(méi)有準(zhǔn)確地描繪出流經(jīng)三極管的電流變化曲線,但是作為一種定性分析,再結(jié)合實(shí)際波形圖,對(duì)解決實(shí)際問(wèn)題還是很有指導(dǎo)意義的。

例如三極管ts的測(cè)試,應(yīng)該在什么條件下?Ic是多少,基極加什么樣的電壓?通過(guò)文章前面的分析,應(yīng)該是比較清楚了。三極管進(jìn)入存儲(chǔ)工作階段時(shí)Vbe>V環(huán),但是,由于V環(huán)是正的,基極電流反向電流是“流出來(lái)的,而不是“抽出來(lái)的。所以,傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)三極管ts測(cè)試時(shí)加負(fù)電壓抽取的方法是不符合燈用三極管的實(shí)際工作情況的。

磁環(huán)尺寸、磁環(huán)初級(jí)繞組圈數(shù)N在電路中的作用,通過(guò)圖2也可以得到解釋,H=NI,N增加H也相應(yīng)增加,有效磁導(dǎo)率μe也相應(yīng)變化,其峰值點(diǎn)到來(lái)的時(shí)間提前,又因?yàn)榇怒h(huán)繞組電感量L=μN2S/ι,V環(huán)也相應(yīng)增大;而磁環(huán)次級(jí)繞組圈數(shù)與次級(jí)繞組輸出電壓成正比,都會(huì)對(duì)三極管IB產(chǎn)生影響,但是由于電流和頻率之間的反饋?zhàn)饔?,這種影響得到一定的緩和。磁環(huán)有效導(dǎo)磁率和三極管ts配合工作的原理也可以得到一定的解釋。磁環(huán)尺寸對(duì)工作頻率有很大影響,磁環(huán)尺寸越小就容易飽和,所以工作頻率就越高。

三極管在燈電路中的實(shí)際工作情況與在基極加一個(gè)方波電壓,再在集電極接一個(gè)純電阻負(fù)載R這種測(cè)量三極管開(kāi)關(guān)參數(shù)的概念式是不完全相同的。

三極管的集電極電流Ic并不完全受基極電壓的控制,諧振回路其他元器件(電容、電感、燈管)對(duì)其工作狀況有重要影響。

要進(jìn)一步研討這個(gè)問(wèn)題,至少牽涉到對(duì)磁性材料、電光源領(lǐng)域高頻工作下的低壓氣體放電、半導(dǎo)體物理、電子電路等專業(yè)知識(shí)的深刻了解和它們之間的融會(huì)貫通。所以,這需要有關(guān)方面聯(lián)手合作,進(jìn)一步做深入細(xì)致的工作。

 (續(xù)上電子鎮(zhèn)流器基本電路一貼)電子鎮(zhèn)流器的半橋逆變電路的工作原理

描述:半橋逆變電路基本形式

圖片:

圖中三極管VT1VT2組成有源半橋支路,

電容C7、C8組成無(wú)源半橋支路,半橋的中點(diǎn)電壓為直流電壓的一半,即為E/2,燈管作為負(fù)載與電感L2相串聯(lián),跨接在兩個(gè)半橋中點(diǎn)之間。VT1、VT2是半橋逆變電路中的重要組件,起著功率開(kāi)關(guān)的作用,選擇時(shí),應(yīng)優(yōu)先考慮其開(kāi)關(guān)參數(shù)。其工作原理是:加上電源后,由直流電壓VDC(E)提供的電流經(jīng)R1對(duì)積分電容C5充電,一旦此電壓達(dá)到并超過(guò)觸發(fā)二極管VDB3的轉(zhuǎn)折電壓(3040V)后,該二極管擊穿導(dǎo)通,并有電流流入VT2的基極,使VT2導(dǎo)通,此時(shí),電流流經(jīng)的路徑為電源VC3C7→燈絲→C6→燈絲→電感L 2→磁環(huán)變壓器Tr的初級(jí)繞組N3VT2的集電極→地。

    VT2集電極電流的增長(zhǎng)趨勢(shì)在磁環(huán)變壓器的初級(jí)繞組N3上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),同時(shí)在其次級(jí)(N1N2)也產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),其極性是使各繞組上用?表示的同名端為正,從而使VT2的基極電位升高,基極電流、集電極電流進(jìn)一步加大,即在電路中產(chǎn)生如下的連鎖反應(yīng):

這種連鎖式的正反饋?zhàn)饔檬?/SPAN>VT2導(dǎo)通并飽和。順便指出,在VT2導(dǎo)通后,電容Cs的電荷通過(guò)二極管VD。和晶體管VT2放電,其電壓下降,不再使觸發(fā)管導(dǎo)通,該支路也不再對(duì)VT2基極產(chǎn)生影響。所以,由R1、C5VDB3提供的觸發(fā)信號(hào)只在電源接通后對(duì)VT2起觸發(fā)作用。在VT1、VT2輪流工作后,其工作頻率較高,VT2截止時(shí)間很短,在這樣短的時(shí)間內(nèi)C5來(lái)不及得到充分的充電。而VT2導(dǎo)通后,C5又放電。這樣,它上面的電壓是一些幅度很小的鋸齒波,達(dá)不到足以使VDB3導(dǎo)通的電壓。因此,一旦電路轉(zhuǎn)換,VT1、VT2輪流導(dǎo)通與截止后,VDB3將不再能導(dǎo)通,對(duì)VT2也不起任何作用。

    當(dāng)VT2電流增加使磁環(huán)趨向飽和,各繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)急劇下降,VT2基極電位也下降,ic2減小,在磁環(huán)變壓器中將產(chǎn)生與ic2以增加時(shí)相反極性的電動(dòng)勢(shì),即各繞組中用?表示的同名端電壓為負(fù),這樣一來(lái),VT1的基極電位上升,集電極電流ic1增加,電流的流通路徑為Vc3VT1集電極→電感L2→燈絲→C6→燈絲→C8→地。

流過(guò)電感L2及磁環(huán)的電流與VT2導(dǎo)通時(shí)的電流方向相反,并形成以下連鎖反應(yīng):

結(jié)果,VT2迅速退出飽和變?yōu)榻刂?,?/SPAN>VT1迅速由截止變?yōu)閷?dǎo)通并飽和。

    上述過(guò)程周而復(fù)始地重復(fù)下去,VT1、VT2輪流導(dǎo)通與截止,在兩個(gè)半橋中點(diǎn)之間形成交變的方波電壓,其幅度為E/2 (有源半橋中點(diǎn)的電壓由E下降到0,以后又由0跳變?yōu)?/SPAN>E,而無(wú)源半橋中點(diǎn)的電壓為E/2)。此交變電壓經(jīng)過(guò)啟動(dòng)電容C6,電感L2的串聯(lián)諧振作用,其電流變?yōu)榻咏也?,并?/SPAN>C6兩端產(chǎn)生了一個(gè)很高的電壓(其值由電感L2Q值及電容C6值決定)加到燈管上,從而將燈管啟輝點(diǎn)亮

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