HID 燈鎮(zhèn)流器的空間和成本節(jié)約解決方案

高強(qiáng)度放電（HID）燈最初設(shè)計(jì)用于戶外和工業(yè)應(yīng)用，因其顯色特性已得到改進(jìn)且小尺寸已上市，目前已延伸至室內(nèi)應(yīng)用，如辦公室照明和零售燈飾。HID燈需要一個(gè)鎮(zhèn)流器 來激發(fā)放電，并在燈啟動(dòng)后限制住電流?；旌项l率全橋逆變器 是HID燈鎮(zhèn)流器中一個(gè)較為常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)樗梢酝ㄟ^方形波產(chǎn)生替代低頻電壓，只需單一逆變器級(jí)即可同樣控制輸出電壓的振幅。

然而，當(dāng)該逆變器在連續(xù)電流模式（CCM）下運(yùn)行時(shí)須考慮MOSFET故障。 因此，逆變器應(yīng)在臨界電流模式下（CRM）運(yùn)行以避免MOSEFT故障。HID燈點(diǎn)火后抗阻變得極低。 這種情況下，逆變器不可避免地要在連續(xù)電流模式（CCM）下運(yùn)行，并出現(xiàn)擊穿電流。 因此，必須使用附加快速恢復(fù)二極管 （FRD）來防止故障出現(xiàn)。 新型UniFET II MOSFET具有可靠的體二極管特性，其峰值反向恢復(fù)電流足夠低，能夠防止器件故障。 本文將介紹HID燈鎮(zhèn)流器混合頻率全橋逆變器的效能。為了驗(yàn)證其有效性，使用150W室內(nèi)HID燈鎮(zhèn)流器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并提供實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

混合頻率逆變器和故障機(jī)理

HID燈鎮(zhèn)流器的工作模式簡(jiǎn)單分為2種狀態(tài)：瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)。 瞬態(tài)下，燈抗阻變得極低，因此燈電壓降低以限制燈電流。 隨著燈抗阻的穩(wěn)定上升，燈電壓也逐漸增高，工作模式從瞬態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)。 峰值燈電流低于Ilimit之后，燈由恒定功率控制模式驅(qū)動(dòng)。 鎮(zhèn)流器的運(yùn)行必須遵循上述流程，圖1顯示HID燈鎮(zhèn)流器中的混合頻率全橋逆變器。 在圖1中，Q5為點(diǎn)火開關(guān)，產(chǎn)生一個(gè)脈沖高壓將HID燈點(diǎn)亮。 混合頻率逆變器由高頻臂（包括MOSFET Q1和Q2以及附加二極管D1~D4）和低頻臂（包括IGBT Q3和Q4）組成。 由于燈只在點(diǎn)火后才會(huì)放電，因此需要一個(gè)點(diǎn)火電路。 Q5和變壓器T組成點(diǎn)火電路。 電源開啟后，Q5開始開關(guān)過程，一個(gè)超過3 kV的高電壓即通過變壓器T應(yīng)用到燈上。燈一旦通過高電壓點(diǎn)亮后，Q5的開關(guān)過程即停止，燈通過交流電壓方波發(fā)光。 變壓器T、電感器L以及電容器C的漏電感組成低通濾波器。 逆變器的運(yùn)行分為4種模式，但其中2種模式反復(fù)交替。半個(gè)周期內(nèi)，在低頻臂中，一個(gè)IGBT保持導(dǎo)通狀態(tài)，另一個(gè)IGBT保持關(guān)斷狀態(tài)，而在高頻臂中的一個(gè)MOSFET處于高頻開關(guān)狀態(tài)。 因此，平均燈電壓可通過控制高頻引腳中MOSFET的占空比得以控制。

圖1: HID燈鎮(zhèn)流器混合頻率逆變器

如果逆變器的高頻臂在連續(xù)電流模式（CCM）下工作，由于MOSFET體二極管反向恢復(fù)特性較差，在高端和低端開關(guān)中必然都會(huì)出現(xiàn)高電流峰值。 這種高電平電流實(shí)際上不存在擊穿條件，只是看起來像，因?yàn)楦叨碎_關(guān)和低端開關(guān)中的電流方向是相同的。 高電流峰值可觸發(fā)MOSFET結(jié)構(gòu)中的寄生雙極結(jié)型晶體管。 寄生雙極結(jié)型晶體管（BJT）導(dǎo)通后，由于負(fù)溫度系數(shù)，會(huì)形成一個(gè)熱點(diǎn)且更多電流匯集其中，這最終將導(dǎo)致器件故障。 一個(gè)常見的解決方案是應(yīng)用阻斷二極管來阻止體二極管導(dǎo)通，在MOSFET兩端并聯(lián)額外的續(xù)流二極管，以減少峰值電流水平。 在圖1中，D1和D3是阻流二極管，需要較低的正向壓降；D2和D4是續(xù)流二極管，需要快速恢復(fù)特性。 這些二極管必然會(huì)阻止故障出現(xiàn)，但是增加了電路復(fù)雜性和系統(tǒng)成本。

最新MOSFET技術(shù)

MOSFET體二極管的反向恢復(fù)特性遠(yuǎn)次于分立式快速恢復(fù)二極管。 功率MOSFET的體二極管反向恢復(fù)時(shí)間非常長(zhǎng)，且反向恢復(fù)電荷非常大。 盡管其性能比較差，功率MOSFET的體二極管還是經(jīng)常在橋式電路中用作續(xù)流二極管。 正因?yàn)樵絹碓蕉嗟膽?yīng)用將MOSFET體二極管用作系統(tǒng)關(guān)鍵元件，才促使MOSFET體二極管特性有了很大的改進(jìn)。 通常來說，可以通過使用壽命控制過程來實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，這類似于分立式快速恢復(fù)二極管。 這一額外過程控制載流子的壽命，從而減少反向恢復(fù)電荷和反向恢復(fù)時(shí)間。 然而，該過程也帶來某些缺陷。 更多的壽命控制導(dǎo)致MOSFET導(dǎo)通電阻增大。 這與導(dǎo)致正向壓降增大的分立式快速恢復(fù)二極管的副作用類似。 另外一個(gè)負(fù)效應(yīng)是漏源極間的漏電流增大，但漏電流水平仍在可接受范圍內(nèi)，并且在大多數(shù)情況下無關(guān)緊要。 因此，電氣特性的主要權(quán)衡點(diǎn)在于反向恢復(fù)性能和導(dǎo)通損耗。 在HID燈鎮(zhèn)流器混合頻率逆變器應(yīng)用中，較小的反向恢復(fù)電荷對(duì)于系統(tǒng)可靠性是非常重要的。 去除肖特基二極管（D1和D2）能夠減少導(dǎo)通損耗，以補(bǔ)償略有增加的MOSFET（Q1和Q2）導(dǎo)通電阻。 現(xiàn)在，重要的是Q1和Q2有了可以與分立式快速恢復(fù)二極管D2和D4不相上下的強(qiáng)壯體二極管性能。 為了實(shí)現(xiàn)更好的體二極管性能，開發(fā)了經(jīng)高度優(yōu)化的UniFET II MOSFET系列。 該系列改善了體二極管的耐受性并減少了輸出電容中的儲(chǔ)能，同時(shí)最大限度地減小如增加導(dǎo)通電阻等負(fù)面效應(yīng)。 特別是，極大改善了其峰值反向恢復(fù)電流Irr,不再會(huì)引起器件故障。 此外，其dv/dt抗干擾性能是普通MOSFET的兩倍多。 因此，在擊穿dv/dt模式下可承受兩倍以上的電流壓力。圖2展示了UniFET II MOSFET系列、傳統(tǒng)MOSFT（FQPF9N50C） 和分立式快速恢復(fù)二極管（BYV28X-500）的反向恢復(fù)性能。 顯然，UniFET II MOSFET系列的反向恢復(fù)特性優(yōu)于傳統(tǒng)MOSFET,甚至優(yōu)于快速恢復(fù)二極管（FRD） 的反向恢復(fù)特性。

圖2:反向恢復(fù)特性

鎮(zhèn)流器的性能測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證UniFETTM II MOSFET系列的有效性，使用包括混合頻率逆變器的150W室內(nèi)HID燈鎮(zhèn)流器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 鎮(zhèn)流器的逆變器電路與圖1相同。低頻臂由2個(gè)IGBT組成，其工作頻率范圍為60Hz~120Hz. 另一個(gè)臂的工作頻率范圍為30kHz~110kHz. 采用普通MOSFET和FRD的傳統(tǒng)解決方案與UniFET II MOSFET系列之間的擊穿電流對(duì)比結(jié)果如圖3所示。在傳統(tǒng)解決方案中，反向恢復(fù)電流的峰值是11.44A. 而UniFET II MOSFET系列反向恢復(fù)電流的峰值是10.48A.

圖3:瞬態(tài)下的穿通電流對(duì)比

結(jié)論

UniFET II MOSFET系列具有更佳反向恢復(fù)特性，如快速恢復(fù)時(shí)間和低反向恢復(fù)電荷。 因此，可去除混合頻率逆變器系統(tǒng)中防止故障所需的4個(gè)額外二極管。 實(shí)驗(yàn)證明UniFET II MOSFET系列可提高混合頻率逆變器的系統(tǒng)可靠性，由于去除了額外的二極管，因此可節(jié)省電路板空間和制造成本。