电子镇流器电路(基本半桥逆变电路)分析.doc

电路仿真练习
电子镇流器电路（基本半桥逆变电路）分析
一、 各元件的作用

FUSE保险电阻：过电流和短路电流保护元件，抑制浪涌电流；
L1，C1，C2：组成π型EMI滤波器，减轻高频逆变电路产生的电磁干扰；
D1，D2，D3，D4：组成桥式整流电路，将输入的交流变为直流；
C4滤波电容：将整流出的电压进行平滑滤波，使其接近直流电压；
R1，C5：RC积分电路，滤波后的电压经过R1对C5进行充电，提供DB3导通电压；
DB3双向触发二极管：当 C5上的电压高于DB3的导通电压时，DB3导通，向Q2的基极注入电流，使T2导通，电路起振后，DB3不再导通；
D5：隔离启动电路和振荡电路，使振荡电流不会经过C5到地；
R2，C4：C4为续流电容，R2为C4提供放电网络。当Q1和Q2在交替开关的同时截止阶段，使灯丝有电流流过，C4通常为1000~3300pF；R2，C4组成的放电网络同时避免两个三极管电流重叠，提供一个死区时间。
D6，D7续流二极管：与三极管并联在磁环线圈的两端，保护三极管，防止三极管反向击穿，反向电动势会通过二极管释放；
Q1，Q2开关三极管：构成推挽电路，两管交替导通，在Q1的发射极和Q2的集电极中间产生近似方波脉冲；
R4，R6：稳定电路工作点，负反馈作用，抬高晶体管发射极电位，控制发射机和基极之间的电压；
R3，R5：控制晶体管的基极电流，同时隔离晶体管的基极电压与磁环绕组的感应电动势；
N1，N2，N3磁环绕组（脉冲变压器）：利用互感耦合，以及磁芯的饱和特性，控制Q1与Q2的交替开关；
L2，C6：LC串联谐振电路，在C6两端为灯提供启动电压，同时对方波脉冲进行滤波，使灯丝电流近似正弦波；L2的Q值和C6的决定提供启动电压的大小；
C7，C8：隔直电容，为灯丝电流提供交流通路。
二、 各元件参数估算要求
FUSE保险电阻：一般选择4.7~47欧；
L1，C1，C2：高阻低通滤波器设计；使用安规电容；
D1，D2，D3，D4：整流二极管，二极管反向耐压和热稳定性，反向耐压一般为输入电压的1.25倍；
C4滤波电容：充放电的时间常数以及耐压值，充放电时间常数数交流周期的3~5倍，耐压值高于峰值电压的1.25倍；
R1，R2：一般，R1=R2，两者相近，一般控制R1流过的电流在0.5~1mA；
C5：C5的耐压要高于DB3的导通电压1.25倍以上，R1、C5的时间常数一般应为开关管导通时间的5%左右，要求有足够大的电流经过DB3注入Q2基极，使Q2导通；
D5：普通整流二极管；
C4续流电容：Q1和Q2截止时，C4会产生脉冲电流，Q1、Q4交替导通截止，使C4上产生正负交替的高频脉冲，因此C4要选择高频损耗小的电容，避免发热损坏；
D6，D7续流二极管：续流二极管D选择要考虑导通、截止和转换三部分损耗，所以用正向压降小，反向电流小和存储时间短的开关二极管，一般选用肖特基二极管；
Q1，Q2开关三极管：晶体管的耐压大于滤波后的线路电压；
集电极电流依据灯丝峰值电流确定，通过集电极的峰值电流是通过L2的峰值电流，因此集电极电流参数应远大于此值；
晶体管的开关速度主要受存储时间影响，存储时间应低于开关周期的20%，开关周期可用镇流器的开关频率计算；
直流电流增益要大，一般要求大于5，这样较小的基极电流就可以获得较高的集电极电流，减小晶体管的导通损耗；
R4，R6：反馈电阻，通过发射极电流变化影响晶体管发射极电压，进而控制发射极和基极之间的电压的变化，依据晶体管工作点的稳定要求取值；
R3，R5：依据开关三极管的集电极电流和直流增益，确定基极电流，结合N1，N2的感应电动势确定；R3，R5与N1，N2的匝数相关（由晶体管基极电流的峰值决定）；
N1，N2，N3磁环绕组：绕组的匝数由磁环的饱和磁场强度，有效磁路长度，以及流过绕组的峰值电流大小决定，绕组匝数=（有效磁路长度*饱和磁场强度）/峰值电流；绕组电压= -（磁导率*匝数平方*截面积/有效磁路长度）*电流变化率
L2，C6：C6的耐压是灯的启动电压的1.25倍，LC振荡电路的谐振频率与晶体管开关频率相近（开关频率不能小于谐振频率，谐振电路构成的负载应该呈感性或阻性，但不能呈容性）：
f≈1/ 2π(L2*C6)1/2，C6上的谐振电压为灯的启动电压；
C7，C8：高频损耗小，耐压大于线路峰值电压1.25倍。
三、电路的工作原理

1、 电路启动
SI和SD之间通电，220V，50Hz交流电，经过整流滤波后，在C3的两端产生约311V
的直流电压VC。此时该电压通过R1、C5组成的积分电路对C5进行充电，当C5上的电压达到DB3的导通电压时，DB3导通，DB3导通后因为Q1，Q2的开关频率高，C5充电不充分，在上面的电压是一些幅度很小的锯齿波，达不到DB3的导通电压，因此电路一旦启动，DB3就不再导通。
2、 电路起振
DB3导通电流直接进入Q2的基极，驱动Q2导通，Q2导通后，电流的流经路径为：VC正极→C7→→灯丝→C6→灯丝→L2→N3→Q2的集电极→R6→VC负极（地）。如下图所示：

（1）Q2导通，Q1截止，流过N3的电流使N3产生一个阻止此电流增加的感应电动势，极性为同名端为正，N3耦合到N1，N2，N1，N2的同名端感应电动势为正。N1上的感应电动势减小Q1的基极电压，使Q1保持截止。N2上的感应电动势使Q2的基极电压增大，Q2的基极电流增大，则Q2的集电极电流增大，N3上的感应电动势加强，N1，N2上的感应电动势加强，形成正反馈使Q2逐渐饱和。
Q2的集电极电流不断的增大，使磁芯磁导率达到最大，磁导率开始下降，Q2的集电极电流继续增大使磁导率急剧下降，N1，N2，N3上的感应电动势急剧下降， N2感应电动势的下降使Q2的基极电压下降，集电极电流开始下降，N3产生感应电动势阻止此电流减小，极性为同名端为负，N3的感应电动势耦合到N1，N2，同名端为负，Q2的基极电压下降，Q1的电压上升。Q2急剧趋于截止，Q1趋于导通。
（2）当Q1将要导通，Q2已经截止时，（流过N3的电流）灯丝电流不能通过Q2，此时续流电容C4发挥作用，该电流对C4反向充电，保持灯丝电流的连续流通。

（3）Q1导通，Q2截止，此时电流路径为：VC正极→Q1→R4→N3→L2→灯丝→C6→灯丝→C8→VC负极（地）。如图所示：

由于正反馈作用使Q1饱和，Q1的发射极电流增大，流过N3的电流增大，使磁芯磁导率达到最大，而Q1发射极电流继续增大，使磁导率急剧下降，N1，N2，N3上的感应电动势下降，Q1的基极电压下降，Q1发射极电流下降，N3产生感应电动势阻止此电流下降，感应电动势方向又变为同名端为正。通过镇反馈N1上的感应电动势增加使Q1的基极电压急剧下降，N2上的感应电动势增加使Q2的基极电压急剧增加。Q1趋于截止，Q2趋于导通。
(4)当Q1截止，Q2将要导通时，灯丝电流不能流过Q1，此时灯丝电流仍由C4续流，保持灯丝电流连续。

(5)Q1截止，Q2导通，电路又重复经过（1）（2）（3）（4）状态，如此循环，电路进入振荡状态。
3、 正常工作
电路进入振荡状态以后，在Q1的发射极和Q2的集电极之间产生方波，Q1饱和时，Q2截止时，形成方波上沿，幅度为：[VC-（Q1的饱和管压降+R4上的压降）]；Q1截止，Q2饱和时，形成方波下沿，幅度为：[Q2的饱和管压降+R6上的压降]。又C7、C8组成无源半桥中点的电压为VC/2。所以可以将该方波看作是交变方波，方波上沿为：[VC/2-（Q1的饱和管压降+R4上压降）]，方波下沿为：[（Q2的饱和管压降+R6上压降）-VC/2]，此方波电压经过L2，C6的串联作用滤波，其波形接近正弦波，因为频率接近串联谐振频率，在C6上产生很高的启动电压，使灯点亮。点亮后灯管可以视作等效电阻。灯管等效电阻是由灯管电压和灯管电流决定的。
假设由Q2的集电极输出电压为幅度150V，35KHz的交变方波，灯正常工作时的灯丝电阻为380欧，取C6=6.8n，C7=C8=100n，仿真电路及仿真波形如下：

四：影响镇流器工作频率的因素
（1） 次级磁环匝数N1、N2以及R3、R5控制三极管的饱和程度，饱和程度越深，退出饱和越慢，工作频率越低，反之亦然；
（2） 磁环的磁导率越大，工作频率越低；
（3） 发射极反馈电阻R4、R6越大，负反馈作用越强，三极管越不容易饱和，工作频率越高；
（4） 灯管等效电阻越大，时间常数τ=L/R越小，工作频率越高；
（5） 工作环境温度上升，基极发射极电压UBE减小，存储电荷与存储时间变大，工作频率变低。
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