智能功率技術(shù)實(shí)現(xiàn)熒光燈驅(qū)動電路的方案分享

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，與若干個外部無源器件一起，驅(qū)動兩個高壓(通常高于400V)功率MOS晶體管，實(shí)現(xiàn)一個半橋變換器。

第二種方法基于兩個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“發(fā)射極開關(guān)”，這個“發(fā)射極開關(guān)”通過在一個共射-共基放大器結(jié)構(gòu)中放置一個雙極高壓達(dá)林頓晶體管和一個低壓MOS場效應(yīng)晶體管制成的，因此，這個解決方案實(shí)現(xiàn)了雙極器件的低壓降與斷態(tài)時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，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@個原因，這個“發(fā)射極開關(guān)”結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)一個很高的頻率(200kHz左右)。

這個特性使共射-共基放大器結(jié)構(gòu)的開關(guān)性能比一個標(biāo)準(zhǔn)雙極晶體高出很多，可與一個場效應(yīng)MOS晶體管媲美。因此，我們說這個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)動器

在VIPower M3-3技術(shù)基礎(chǔ)之上，我們設(shè)計(jì)了一個熒光燈鎮(zhèn)流器專用的驅(qū)動器(VK06TL)。這個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€VK06TL，幾乎無需外部器件，只用兩個二次繞組就可以導(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

這個變換器能夠恰當(dāng)?shù)毓芾硪粋€高端熒光燈應(yīng)用的全部必備的工作條件：啟動、預(yù)熱頻率和時長控制、點(diǎn)火和穩(wěn)態(tài)階段。這個半橋可以實(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因素：

圖2：VK06TL簡化塊圖

功率級是由一個雙極高壓達(dá)林頓晶體管和一個低壓MOS場效應(yīng)晶體管組成的共射-共基放大器，這個解決方案實(shí)現(xiàn)了雙極器件的低壓降與斷態(tài)時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。

在這個階段，發(fā)射極電流不再流動，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)，同時還能維持一個很高的標(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引腳通過一個電阻電容(R-C)網(wǎng)絡(luò)與直流總線相連。在啟動階段，電容通過一個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)、接通這個器件，同時，啟動振蕩電路還需要一個二極管交流開關(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，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，CapEOL電容器就會被充電，引起功率級關(guān)斷閂鎖。CapEOL的電容值用于設(shè)定保護(hù)時間。

值得再次強(qiáng)調(diào)的是，這個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，只需一個單片器件就可以集成一個溫度保護(hù)電路。

兩個高壓二極管用于續(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PFC級(功率因數(shù)控制器)，同時，這個器件的集電極-源極擊穿電壓保證在最高600V。

圖3：VK06TL應(yīng)用原理圖

應(yīng)用電路板

目前開發(fā)出了兩個參考板：一個使用SO-16封裝(表面安裝封裝)，另一個使用SIP9封裝(通孔封裝)。兩個電路板都基于圖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58W T8燈管的預(yù)熱額定電壓(350V峰壓)。預(yù)熱時長大約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，同時測量了器件的溫度。每個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。