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(L2C6)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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