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基于智能功率技術(shù)的熒光燈驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2011-11-24

中心議題:
  • 基于智能功率技術(shù)的熒光燈驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
解決方案:
  • 采用固定頻率半橋拓?fù)潋?qū)動(dòng)線性熒光燈管的創(chuàng)新解決方案
  • 采用單片電路的方法

在照明應(yīng)用電子變換器實(shí)現(xiàn)中,成本制約因素驅(qū)動(dòng)著技術(shù)的選擇。除下文要介紹的創(chuàng)新的縱向智能功率(VIPower)解決方案外,市場上還存在另外兩種不同的經(jīng)典方法。第一種方法是基于IC器件,與若干個(gè)外部無源器件一起,驅(qū)動(dòng)兩個(gè)高壓(通常高于400V)功率MOS晶體管,實(shí)現(xiàn)一個(gè)半橋變換器。第二種方法基于兩個(gè)高壓雙極晶體管和大量的無源器件,但是只能實(shí)現(xiàn)前文提到的另外兩個(gè)解決方案集成的具體功能中的部分功能。雙極解決方案被用于成本極其低廉、性能中低的應(yīng)用中。

相對于經(jīng)典的方法,本文提出了一個(gè)創(chuàng)新的解決方案,它的成本具有很強(qiáng)的競爭力,而且性能也可得到增強(qiáng)。

VK06TL采用意法半導(dǎo)體(ST)獨(dú)有的智能功率VIPower M3-3制造技術(shù),這項(xiàng)技術(shù)允許在同一芯片上集成控制部分和功率級。功率級是一個(gè)“發(fā)射極開關(guān)”,這個(gè)“發(fā)射極開關(guān)”通過在一個(gè)共射-共基放大器結(jié)構(gòu)中放置一個(gè)雙極高壓達(dá)林頓晶體管和一個(gè)低壓MOS場效應(yīng)晶體管制成的,因此,這個(gè)解決方案實(shí)現(xiàn)了雙極器件的低壓降與斷態(tài)時(shí)高擊穿電壓之間的平衡,以及MOS場效應(yīng)晶體管的開關(guān)速度快的特性。

由于在關(guān)斷狀態(tài)時(shí),雙極晶體管級處于共基極模式,因此,從雙極晶體管的基極抽出貯存電荷的負(fù)基極電流基本上是集電極電流,因?yàn)檫@個(gè)原因,這個(gè)“發(fā)射極開關(guān)”結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)很高的頻率(200kHz左右)。

這個(gè)特性使共射-共基放大器結(jié)構(gòu)的開關(guān)性能比一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雙極晶體高出很多,可與一個(gè)場效應(yīng)MOS晶體管媲美。因此,我們說這個(gè)器件沒有電荷貯存效應(yīng)。這項(xiàng)技術(shù)的控制部分是采用BCD(雙極-互補(bǔ)MOS-雙擴(kuò)散MOS)單元庫實(shí)現(xiàn)的。

熒光燈鎮(zhèn)流器驅(qū)動(dòng)器

在VIPower M3-3技術(shù)基礎(chǔ)之上,我們設(shè)計(jì)了一個(gè)熒光燈鎮(zhèn)流器專用的驅(qū)動(dòng)器(VK06TL)。這個(gè)器件采用兩種不同的封裝:SO-16表面組裝封裝和ST19通孔組裝封裝。

在圖1的變換器半橋中,VK06TL被指定用于上橋臂和下橋臂,因?yàn)椴捎脙蓚€(gè)VK06TL,幾乎無需外部器件,只用兩個(gè)二次繞組就可以導(dǎo)通一次側(cè)扼流圈,所以,設(shè)計(jì)一個(gè)效率極高而成本極低的熒光燈變換器是可行的。

 

圖1:M3-3 橫截面圖
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這個(gè)變換器能夠恰當(dāng)?shù)毓芾硪粋€(gè)高端熒光燈應(yīng)用的全部必備的工作條件:啟動(dòng)、預(yù)熱頻率和時(shí)長控制、點(diǎn)火和穩(wěn)態(tài)階段。這個(gè)半橋可以實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)(EOL:燈管壽命終止)、整流效應(yīng)保護(hù)和過溫保護(hù),從而創(chuàng)造一個(gè)全保護(hù)系統(tǒng)。如圖2:VK06TL的簡化塊圖所示,我們考慮到了以下幾個(gè)因素:

圖2:VK06TL簡化塊圖

功率級是由一個(gè)雙極高壓達(dá)林頓晶體管和一個(gè)低壓MOS場效應(yīng)晶體管組成的共射-共基放大器,這個(gè)解決方案實(shí)現(xiàn)了雙極器件的低壓降與斷態(tài)時(shí)高擊穿電壓之間的平衡,以及MOS場效應(yīng)晶體管的開關(guān)速度快的特性。這個(gè)功率級由雙極晶體管的基極上的固定電流供電,并由柵極端子控制。在導(dǎo)通狀態(tài)(Vg > Vthreshold),集電極電流可以通過MOS晶體管流向集電極,貯存階段開始。

在這個(gè)階段,發(fā)射極電流不再流動(dòng),而且集電極電流變成負(fù)基極電流。因?yàn)榘l(fā)射機(jī)開關(guān)操作,貯存時(shí)長降低到幾百納秒(無貯存效應(yīng))。一旦所有的基極電荷都被抽空,功率級就進(jìn)入斷態(tài)。由于貯存時(shí)間短,功率級能夠以高于標(biāo)準(zhǔn)雙極晶體管的頻率工作(最高500KHz),同時(shí)還能維持一個(gè)很高的標(biāo)準(zhǔn)功率MOS無法達(dá)到的耐壓能力(最高1KV),而且導(dǎo)通損耗極低。

控制級和功率級都是由Vcc引腳供電,Vcc引腳通過一個(gè)電阻電容(R-C)網(wǎng)絡(luò)與直流總線相連。在啟動(dòng)階段,電容通過一個(gè)高阻值的電阻器充電,因此,只需幾百微安。由于功率雙極晶體貯存基極電流是在通過‘Vcc充電網(wǎng)絡(luò)’連接Vcc引腳的電容上恢復(fù)的,因此,在工作階段,器件是自己給自己供電。

VK06TL這項(xiàng)特殊功能允許使用功耗更小的電阻器,而且上電橋臂電源無需充電泵。

必須從連接二次繞組的SEC引腳觸發(fā)、接通這個(gè)器件,同時(shí),啟動(dòng)振蕩電路還需要一個(gè)二極管交流開關(guān)管的功能。通過SEC引腳,系統(tǒng)可以負(fù)載諧振頻率振蕩,同時(shí),通過CAP1、CAP2和CapPREH引腳管理預(yù)熱和穩(wěn)態(tài)頻率。特別是,CapPREH引腳上的電容器用于設(shè)定預(yù)熱時(shí)長。

通過CapEOL引腳,系統(tǒng)可以確保燈管壽命終止(EOL)和過溫保護(hù)功能。如果檢測到這些故障功能中的任意一個(gè),CapEOL電容器就會(huì)被充電,引起功率級關(guān)斷閂鎖。CapEOL的電容值用于設(shè)定保護(hù)時(shí)間。

值得再次強(qiáng)調(diào)的是,這個(gè)單片方法無需外部電阻器和連接器就實(shí)現(xiàn)了功率級電流檢測。此外,如上文所述,只需一個(gè)單片器件就可以集成一個(gè)溫度保護(hù)電路。

兩個(gè)高壓二極管用于續(xù)流和二極管交流開關(guān)管通道,直流總線上的典型電壓是400V,因?yàn)樵诙鄶?shù)應(yīng)用中,需要連接一個(gè)PFC級(功率因數(shù)控制器),同時(shí),這個(gè)器件的集電極-源極擊穿電壓保證在最高600V。
 
圖3:VK06TL應(yīng)用原理圖
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應(yīng)用電路板

目前開發(fā)出了兩個(gè)參考板:一個(gè)使用SO-16封裝(表面安裝封裝),另一個(gè)使用SIP9封裝(通孔封裝)。兩個(gè)電路板都基于圖3所示的原理圖。

應(yīng)用提示

為了測試電路板的目的,在輸入端子連接一個(gè)電解電容(10μF, 450V)十分重要,以便旁通直流電源電壓與電路板之間連線上出現(xiàn)的寄生電感。

預(yù)熱頻率必須固定,以確保電流值足以預(yù)熱陰極,而不會(huì)導(dǎo)致燈管點(diǎn)火。

參考電路板的預(yù)熱頻率大約59KHz,峰流大約800mA。由于諧振電容C=8.2nF,在預(yù)熱階段,它的電壓低于一個(gè)58W T8燈管的預(yù)熱額定電壓(350V峰壓)。預(yù)熱時(shí)長大約0.84s。

采用表面組裝封裝電路板上的主波形的穩(wěn)態(tài)階段:工作頻率大約為34KHz,峰流大約為700mA。

參考電路板的熱分析


我們對圖3中電路板進(jìn)行了熱分析,同時(shí)測量了器件的溫度。每個(gè)器件的散熱銅面積大約100mm2。溫度是通過在SO-16封裝頂部放置K型熱電耦測量的。測量環(huán)境有種不同的外界溫度:室溫(大約25oC)和外界溫度(50oC)測量結(jié)果見匯總表1:

 
表1:器件外殼溫度

結(jié)論

本文簡要介紹了ST開發(fā)的采用固定頻率半橋拓?fù)潋?qū)動(dòng)線性熒光燈管的創(chuàng)新解決方案。

采用了系統(tǒng)芯片的方法:在同一個(gè)芯片上集成控制部分、保護(hù)電路和功率級。

由于采用這種單片電路的方法,系統(tǒng)可靠性得到了提高,此外,系統(tǒng)集成和超小型封裝還實(shí)現(xiàn)了更小、更便宜的應(yīng)用電路板,向系統(tǒng)微型化邁出了一大步。
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