基于智能功率技術(shù)的熒光燈驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

編者按：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。