細探熒光燈電子鎮(zhèn)流器工作原理

1、這幾年來，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，中國在世界上作為節(jié)能燈大國的地位已經(jīng)確立;中國還要進一步成為節(jié)能燈強國，這就需要對產(chǎn)品技術(shù)和相應(yīng)的技術(shù)基礎(chǔ)理論進行進一步的探索。在對燈用三極管損壞機理的深入研討中，筆者感到這以前對熒光燈電子鎮(zhèn)流工作原理的描述越來越滿足不了需要，甚至其中還有謬誤之處，有必要對其進行更深入仔細的研究探討。為避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，本文用較多的實測波形圖加以說明。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

2、流后的直流電變成較高頻率的交流電。但是，具體工作過程中，不少書刊上把諧振回路電容充放電作為主要因素來描述，甚至認為“振蕩電路的振蕩頻率是由振蕩電路充放電的時間常數(shù)決定的”。 我們感到諧振回路電容充電和放電是變流過程中的一個重要因素，但是，振蕩電路的振蕩頻率卻不能說就是由振蕩電路的充放電時間常數(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和三極管的存儲時間ts 是工作周期的重要決定因素。三極管開關(guān)工作的具體過程中，不少書刊認為“基極電位轉(zhuǎn)變?yōu)樨撾娢弧笔箤?dǎo)通三極管轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂?，”T1(磁環(huán))飽和后，各個繞組中的感應(yīng)電勢為零”“VT1 基極電位升高VT2 基極電位下降”;我們認

3、為實際工作情況不是這樣的。一、三極管開關(guān)工作的三個重要轉(zhuǎn)折點：1、三極管怎樣由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂沟谝粋€轉(zhuǎn)折點：不管是圖1 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，通過磁環(huán)繞組感應(yīng)，強烈的正反饋使Ic 迅速增長，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?圖1 原理圖圖2 磁環(huán)磁化曲線與三極管Vce、Ic、Ib實踐證明，三極管導(dǎo)通后其集電極電流Ic 增長，其導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂沟倪^程有兩個轉(zhuǎn)折點，首先是可飽和脈沖變壓器(磁環(huán))磁導(dǎo)率的飽和點。圖2 中上面為磁環(huán)磁化曲線(B-H)及磁導(dǎo)

4、率-H 變化曲線，=B/H，所以就是B-H 曲線的斜率，開始時隨著外場H 的增加而增加，當H 增大到一定值時達到最大，其最大值為-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H 增加減小。在電子鎮(zhèn)流熒光燈電路中，磁環(huán)工作在可飽和狀態(tài)，它在每次磁化過程中其值必須過其峰值。在初期可飽和脈沖變壓器(磁環(huán))磁導(dǎo)率隨著Ic 的增長而增長(圖2);Ic增長到一定值，可飽和脈沖變壓器的磁導(dǎo)率過圖2 中峰值點，磁環(huán)繞組感應(yīng)電壓V 環(huán)=-Ldi/dt，而磁環(huán)繞組電感量(此公式還說明了磁環(huán)尺寸在這方面的作用)，也就是說磁環(huán)繞組感應(yīng)電壓與可飽和脈沖變壓器(磁環(huán))磁導(dǎo)率成正比，磁環(huán)繞組感應(yīng)電壓V 環(huán)過峰值

5、(關(guān)于磁環(huán)繞組內(nèi)電流的情況在本文后面說明，這里先以實測波形圖說明)，三極管基極電流Ib 同步過峰值(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聯(lián)線，把基極電流Ib 的峰值點和可飽和脈沖變壓器的磁導(dǎo)率的峰值點聯(lián)系到了一起，這是外部電路改變?nèi)龢O管工作狀態(tài)的重要信號點，也就是三極管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂沟牡谝粋€轉(zhuǎn)折點。隨著V 環(huán)的下降Ib 也下降，但這時基區(qū)內(nèi)部的電壓仍然是正的,當磁環(huán)繞組感應(yīng)電壓V 環(huán)低于基區(qū)內(nèi)部的電壓時(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.基極電流反向為負值Ib2(圖3 紅色曲線2

6、);圖3 顯示了三極管基極電流Ib 峰值(紅色曲線2)和磁環(huán)繞組感應(yīng)電壓峰值(蘭色曲線1)是同步的，過峰值后基極電流反向為負值。在這期間，基區(qū)電流(稱為IB2)是負，但是 VCE 維持在飽和壓降VCEsat(圖4 蘭色曲線1)，而IC 電流正常流動(圖4 紅色曲線2)，這時期對應(yīng)存儲時間(Tsi)。在這段時間Vbe 始終是正的，但是基區(qū)電流(稱為IB2)是負的。有的書上說導(dǎo)通管的關(guān)閉是因為其基極電位轉(zhuǎn)變?yōu)樨撾娢?，也有的書上說“T1(磁環(huán))飽和后，各個繞組中的感應(yīng)電勢為零”，這不符合實際情況，從波形圖上我們可以清楚地看到這段時間Vbe 始終是正的。導(dǎo)通管的基極電位轉(zhuǎn)變?yōu)樨撾娢皇窃贗c 存儲結(jié)束，

7、流過磁環(huán)繞組的電流達到峰值-Ldi/dt 等于零的時刻之后，而不是在Ic 存儲剛開始的時刻。圖3磁環(huán)繞組感應(yīng)電壓V環(huán)及三極管基極電流Ib圖4三極管電壓Vce及基極集電極電流IbIc不少書刊說導(dǎo)通管的關(guān)閉是因為其基極電位轉(zhuǎn)變?yōu)樨撾娢?，這里多加幾幅插圖加以說明。從圖5可以看到在整個三極管集電極電流Ic導(dǎo)通半周期內(nèi)，其基極電壓Vbe都是正的，一直到Ic退出飽和開始下降;從圖6可以看到在整個三極管集電極電流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退出飽和開始下降才開始下降變負。圖5三極管集電極電流Ic及基極電壓Vbe圖6三極管集電極電流Ic及磁環(huán)繞組感應(yīng)電壓V環(huán)比較圖5和圖6可以

8、看到在三極管集電極電流Ic接近最大值，也就是三極管進入存儲工作階段時Vbe>V環(huán)，這也可以用來解釋IB2是負值的原因?；鶚O電流反向為負值是因為三極管進入存儲工作階段時Vbe>V環(huán)，但是，由于V環(huán)是正的，而不是負的，所以基極電流反向電流是“流”出來的，而不是“抽”出來的。磁環(huán)次級繞組電壓是由流經(jīng)電感的電流-di/dt 所決定，過零點在峰值點，即電流平頂點(圖7);經(jīng)過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，其過零點為IL 的峰值頂點(di/dt=0)(圖8)，這里也可以看到V 環(huán)變負的真正時間。圖7 磁環(huán)次級繞組電流及兩端電壓圖8 電感電流及兩端電壓VL2、三極管

9、從存儲結(jié)束退出飽和，到三極管被徹底關(guān)斷(tf)：第二個轉(zhuǎn)折點及第三個轉(zhuǎn)折點(1)、三極管進入存儲時間階段，Ib 變?yōu)樨撝挡⒁恢本S持(圖4 綠色曲線A);三極管存儲結(jié)束退出飽和：當Ib 負電流絕對值開始減小的時刻(圖4 綠色曲線A)，也就是Ic 存儲結(jié)束開始減小(圖4 紅色曲線2)，Vce 離開飽和壓降Vcesat開始上升的時刻(圖4 蘭色曲線1)，這也就是三極管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂沟牡诙€轉(zhuǎn)折點。整個過程也由兩部分組成，開始很快降低，后面還有很長一段電流很小的拖尾。當沒有殘余電荷在基區(qū)里面時,IB2衰減到零，而IC也為零，這是下降時間，三極管被徹底關(guān)斷，BC結(jié)承擔電路電源電壓，一般應(yīng)為310V左右

10、(圖4綠色曲線A上毛刺對應(yīng)的時刻蘭色曲線1Vce值為314V)。也就是三極管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂沟牡谌齻€轉(zhuǎn)折點。在第二個轉(zhuǎn)折點到第三個轉(zhuǎn)折點之間這段時間，Vce離開飽和壓降Vcesat，開始上升到電路電源電壓。(圖4蘭色曲線1)(2)、電感電流IL 與上下兩個三極管集電極電流Ic1、Ic2 的關(guān)系，C3R2 的作用(關(guān)斷過程之二)： 在第二個轉(zhuǎn)折點與第三個轉(zhuǎn)折點之間Ic1Ic2 的波形有一個缺口，IL 波形沒有缺口圖9 上管集電極電流Ic1 與下管集電極電流Ic2 之間的缺口圖10 流過R2C3 的電流和Vce 電壓波形三極管Ic 存儲結(jié)束，電流開始快速下降，后面還有很長一段電流很小的拖尾;在這個

11、時候另一個三極管仍然是截止的，還沒有開始導(dǎo)通，這樣就會造成一個電流缺口(圖9)。但是電感L 上的電流是不可能中斷的，這個缺口由上管CE之間的R2C3 的充放電電流來填補(圖10)。上管從Ic 存儲結(jié)束，Vce 開始上升，整個過程也有二部分組成，開始很快降低，后面還有很長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缺口的那部分電流(圖10)，電感L 中的電流得以平滑過渡。Vce 從零上升到310V，C3 也得以充電到310V 的那一時刻，其充電電流被關(guān)斷。VT1 從截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通時，R2C3 放電，其放電電流填補電流缺口。對于這一點，有的書上是這樣說

12、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”說的應(yīng)該就是這個意思。R2C3 的存在，實際上也避免了兩個三極管電流的重疊，即一個三極管尚未關(guān)斷，另一個三極管已經(jīng)導(dǎo)通，所謂“共態(tài)導(dǎo)通”的問題，提供了一個“死區(qū)時間”。3、三極管是怎樣由截止轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通的?有的書刊上說是三極管基極通過磁環(huán)次級繞組“得到正電位的激勵信號電壓而迅速導(dǎo)通”，實際上三極管Ic 存儲結(jié)束的這一時刻開始，磁環(huán)次級繞組的電壓即過零開始變?yōu)檎娢唬侵钡絍T2被徹底關(guān)斷那一刻以前VT1 一直沒有開通(圖5、圖6)。圖5、圖6 中可以清楚地看到三極管產(chǎn)生集電極電流Ic 的時刻落后于基極電壓Vbe(磁環(huán)繞組感應(yīng)電壓V

13、環(huán))變正的時刻一段時間。確切地說，三極管產(chǎn)生集電極電流Ic(開始開通)的準確時刻應(yīng)該是另一個三極管被徹底關(guān)斷的時刻。從整個電子鎮(zhèn)流熒光燈電路來說，這也就是前面所說三極管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂沟牡谌齻€轉(zhuǎn)折點。從時間上來說三極管產(chǎn)生集電極電流Ic(開始開通)的準確時刻也就是R2C3 上的充放電電流終了的時刻，而這個時刻正是另一個三極管被徹底關(guān)斷的時刻。從波形圖上看，三極管產(chǎn)生集電極電流Ic(開始開通)的時刻，正是電感L兩端電壓的峰值點(圖11)。另一管Ic 的開通：電感L 中的電流不能突變，而此時Vbe 已為正，三極管產(chǎn)生一個反向電流，此時也正好是電感L 兩端電壓的峰值點(圖11)。圖11 Ic 的開通

14、正好是電感L 兩端電壓的峰值點圖12 BE 并聯(lián)反向二極管三極管Vce、Ic 波形圖為什么在電子鎮(zhèn)流熒光燈電路中三極管的上升時間tr 我們不予以關(guān)注?從上面對三極管集電極電流Ic 的開通過程就可以得到答案。在這里，三極管集電極電流Ic 的上升過程不符合三極管的上升時間tr 的定義，因此tr 在這里也就失去了它原來的意義。由于三極管Ic 存儲結(jié)束的這一時刻開始，磁環(huán)次級繞組的電壓即過零開始變?yōu)檎娢?，但是在R2C3 上的充放電電流終了的時刻那一刻以前，正常情況下VT1一直沒有開通;必須注意的是，當線路調(diào)整不好的時候，這里Ic 會產(chǎn)生一個有害的毛刺。二、三極管集電極電流Ic 初始值的討論：帶電感負

15、載的開關(guān)三極管，在三極管關(guān)斷時因電感產(chǎn)生反電動勢會受到一個高電壓。但是，在目前國內(nèi)大量采用的電子鎮(zhèn)流熒光燈半橋電壓反饋電路中，開關(guān)三極管電壓的選擇，是不考慮這個反電動勢的;在實際生產(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;對于燈用三極管設(shè)計生產(chǎn)廠家來說，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受到影響。那么，電路中的這個反電動勢，是通過什么渠道泄放掉的?在R2C3 上的充放電電流終了后，實際上就是通過三極管集電極電流Ic 初始值泄放的。(三極管CE 并聯(lián)反向二極管的話，這

16、個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 一個很大的負電流初始值就是這樣來的。這個很大負電流的流經(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1);2、三極管CE 并聯(lián)反向二極管(圖13);3、三極管BE、CE 同時并聯(lián)反向二極管(圖14)4、三極管BE、CE 都沒有并聯(lián)反向二極管(圖15)圖13 三極管CE 并聯(lián)反向

17、二極管電路圖圖14 三極管BE、CE 同時并聯(lián)反向二極管電路圖圖15 三極管BE、CE 不加并聯(lián)反向二極管電路圖圖16 三極管Vce、BE 并聯(lián)反向二極管內(nèi)電流波形圖在這四種情況中，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(圖16)。三極管集電極-發(fā)射極電壓Vce 加的是負電壓，三極管反向工作。在這以前，這幾年我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，提高可靠性。其實三極管反向工作這一段時間的反向功率損耗也應(yīng)該引起足夠的注意，因為這一段時間三極管上的工作電壓、電流、延續(xù)時間都比較可觀，因此其上的功率損

18、耗也比較可觀，必須加以注意。實際生產(chǎn)中，不加BE 反向二極管，有一定比例的三極管損壞，而且是BE結(jié)損壞，認為是三極管BE 反向耐壓不夠，這是誤解。應(yīng)該是負電流的流經(jīng)渠道不暢造成三極管功率損耗過大。第二種情況，三極管CE 并聯(lián)反向二極管(圖13)：另一個三極管徹底關(guān)斷、R2C3 充放電結(jié)束的時刻，電感IL 內(nèi)的電流(相當于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 同時并聯(lián)反向二極管(圖14)：另一個三極管徹底關(guān)斷、R2C3 充放電結(jié)束的時刻，電感IL 內(nèi)的反向電流(相當于R2C3 充放電電流終

19、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，可以不加BE 反向二極管(圖15)，這是因為負電流有一個通過磁環(huán)次級繞組、基極電阻、三極管BC 結(jié)的流經(jīng)渠道(圖17IB 剛開始上跳時的波形)，基極回路帶電容的半橋電路不能沒有BE 并聯(lián)反向二極管。圖17 BE 不并聯(lián)反向二極管三極管Vce、IB 波形圖采用BUL128D 這一類帶續(xù)流二極管的抗過驅(qū)動三極管，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

20、在BE 并聯(lián)反向二極管上還串聯(lián)有電阻)對整個電路的工作狀況有很大影響，特別是會對燈管起輝產(chǎn)生影響，對三極管電流波形產(chǎn)生影響。 這里只進行了初步的討論，還應(yīng)該有進一步討論的余地。三、Ic 電流上升過程的討論：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和三極管的存儲時間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”?其實就是那個時候的Ic 電流上升過程，更準確地說是流過磁環(huán)初級繞組的電流、三極管儲存階段流過的電流。這句話實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時間ts 的重要性;另一方面也沒有否定電路其它元器件(電容、電

21、感、燈管)對電路工作狀況的重要作用。下管VT2 剛開始導(dǎo)通時，電路相當于RLC 串聯(lián)電路加上直流電壓：(圖18)圖18 RLC 串聯(lián)電路加上直流電壓圖19 三種工作狀況及電流Ic 初始值電路電壓方程：電壓平衡方程式是一個二階微分方程。它的解與u 的形式和u 的初始條件(K接通時的u 值)有關(guān)。 加直流電壓(圖18)電路電壓方程：瞬態(tài)電流分下列三種情況(圖19)盡管加的是直流電壓，但電路中卻可能存在著振蕩電流。因為電路中存在著電阻，所以其振幅是衰減的。2、下管VT2 截止、上管VT1 導(dǎo)通時，電路相當于電容充電后通過RL 放電：(圖20)圖20 電容充電后通過RL 放電負載電流不但受燈動態(tài)電阻R

22、L 影響而且同時受可飽和脈沖反饋變壓器(磁環(huán))可變初級阻抗ZT、三極管存儲時間ts 的調(diào)制。瞬態(tài)電流通過有效磁導(dǎo)率e 變化對電路穩(wěn)態(tài)工作的控制作用：有效磁導(dǎo)率e 高，脈沖反饋變壓器初級阻抗提高，較小的電流瞬時值就可以得到足夠的V環(huán)，使電路提前轉(zhuǎn)換。開關(guān)頻率提高，電流初始值下降。開關(guān)頻率的下降會使得燈電流增加，燈電流增加的同時又提高了脈沖反饋變壓器磁化場Hm。這樣，在電路負變化過程中得以實現(xiàn)一定程度的頻率反饋。可以利用電路方程進行更深入的討論，公式本身是可信的，但是如何將電路的實際工作狀況轉(zhuǎn)換成準確的電路模型卻是很困難的。要準確地描繪出流經(jīng)三極管的電流變化曲線實際上是很困難的，因為它受較多因素的影響;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