如何正確理解半橋逆變電路的工作原理

引言

半橋逆變電路是電子鎮(zhèn)流器和電子節(jié)能燈中最常用也是最基本的電路，正確地理解它的工作原理，將有助于我們合理地選擇元器件如磁環(huán)變壓器、扼流電感、啟動電容等元件的參數(shù)，正確地安排三極管的驅動電路，以降低它的功耗與熱量，提高整燈的可靠性。遺憾地是過去受觀測儀器（如示波器）和測試手段的局限，我們無法觀測到電路中關鍵點如三極管各個電極電流的正確波形（如文獻4的電流iB、ic的起始波形就是錯誤的），因而無法作出符合實際情況的定量分析和判斷，以至形成一些錯誤的概念。最近看到深愛公司葉文浩先生發(fā)表在中國照明電器（刊載于04年11、12期）的文章，受到不少啟發(fā)，到歐普照明公司后，利用比較先進的示波器TDS5000，對電路關鍵點的電流和電壓波形，進行了仔細的測試，感到認識上有所提高，澄清了過去不少胡塗概念，特撰寫本文，拋磚引玉，與葉先生商榷，并就教于國內(nèi)方家。

一． 三極管如何由導通變?yōu)榻刂梗ㄒ訴T2為例）

不論是用觸發(fā)管DB3還是由基極偏置電阻產(chǎn)生基極電流iB2(后者用在基極回路中帶電容的半橋逆變電路中)，兩種觸發(fā)方式中的哪一種，在接通電源后，都會由于iB2的出現(xiàn)而產(chǎn)生VT2的集電極電流ic2，通過磁環(huán)變壓器的正反饋，引起電壓vBE2上升, iB2進一步增加, ic2也隨之增加。出現(xiàn)以下的連鎖反應：

這種再生反饋的結果，產(chǎn)生了雪崩效應，三極管迅速導通并飽和(在半橋逆變電路正常工作期間, 三極管VT1或VT2如何由截止變成導通的原因，我們將在后面文章中加以討論)。導通后的三極管可以看成閉合的開關，三極管的電流ic2不再受基極電流iB2控制，而僅由外電路元件的參數(shù)來確定。

在三極管開始導通的一段時間內(nèi)，ic2增加，通過磁環(huán)變壓器繞組間的正反饋使磁環(huán)繞組N2上的感應電動勢增加，vBE2及 iB2均增加，由圖2知，iB2同磁環(huán)繞組N2上的電壓vN2基本上式中i是流過磁環(huán)變壓器次級繞組N2的電流。在磁環(huán)未飽和時，vN2也與磁環(huán)變壓器原邊繞組的電流、即電感L2的電流變化率成正比。在所討論的情況中，電感L2的電流就是VT2的集電極電流ic2。我們知道，L值與磁環(huán)的磁導率μ成正比（L還與磁環(huán)的尺寸和其繞組的圈數(shù)有關），磁環(huán)的磁導率μ開始隨流過它的勵磁電流（這里就是集電極電流ic2或流過電感的電流）的增加而增加，在電流為某一數(shù)值后達到最大值，以后隨電流的增加而下降。至于電流變化率di/dt出現(xiàn)最大值的時刻則與電流變化規(guī)律有關，例如如電流按正弦規(guī)律變化，則di/dt 在i=0時為最大。一般在半橋逆變電路中，在i較小時，di/dt為最大。因此，磁環(huán)變壓器繞組的電壓先是隨ic2的增加而增加，在電流ic2到達最大值之前的某一數(shù)值達到最大，并出現(xiàn)一個峰值（如圖2a中的直線所示），同樣vB2、iB2也出現(xiàn)一個峰值（如圖2b、 2c的直線所示，它們和vN2出現(xiàn)峰值對應于同一時刻）。隨著ic2的增加，磁環(huán)的磁導率μ下降，其繞組上的電壓vN2及基極電壓vB2將下降，iB2亦下降。在iB2為正值且下降為零之前，在基區(qū)中存儲了大量的少數(shù)載流子，沒有通過集電結被及時拉走，管子處于飽和狀態(tài)。不難看出，如磁環(huán)繞組上電壓出現(xiàn)峰值的時刻較晚，管子導通時間就會拉長；反之，管子導通時間會縮短。所以，從某種程度上，磁環(huán)繞組上電壓出現(xiàn)峰值的時刻早晚（與磁環(huán)的材料性質(zhì)、尺寸有關），會影響半橋逆變電路的工作周期和頻率。

在磁環(huán)繞組的電壓出現(xiàn)峰值以后，隨著ic2的增加，磁環(huán)的磁導率μ進一步下降（極端的情況下，當電流太大時，磁環(huán)甚至可能飽和，磁導率μ會很?。┮约癲i/dt的下降，磁環(huán)繞組上的電壓將急劇下降，出現(xiàn)了磁環(huán)繞組N2上的電壓vN2低于vBE2的情況（圖2b中vBE2曲線有一段高于vN2曲線）。這一點十分重要，它會使基極電流iB2反向，從基區(qū)流出，變?yōu)樨撝担▽嶋H上是基區(qū)中多余的少數(shù)載流子—電子、跨越發(fā)射結返回到發(fā)射極，電子從基極流向發(fā)射極），與正常的基極電流iB2方向相反，如圖2c所示。正是依靠這個反向電流?iB2的幫助，使基區(qū)多余的電子消失，三極管VT2得以從飽和狀態(tài)退出，進入放大狀態(tài)，所用的時間即為管子的存儲時間ts（通常我們定義從iB2變負開始起、到管子由飽和退出變?yōu)榉糯鬆顟B(tài)所用的時間稱為管子的存儲時間，它和管子參數(shù)及其激勵程度即飽和的深淺有關）。一旦管子進入放大狀態(tài)，電流ic2的下降，就會通過磁環(huán)變壓器的正反饋使iB2減小，ic2進一步減小。由于這種再生反饋的結果，使集電極電流ic2很快由某一較大值跳變?yōu)榱?、而三極管VT2由導通變?yōu)榻刂?。這時，我們在示波器上看到ic2波形后沿中有一個向下的跳變，變化很快，所用的時間是很短的（圖2a）。

由于iB2變?yōu)樨撝?，以及iB2、ic2 、iE2之間滿足iE2═iB2+ic2的關系，發(fā)射極電流iE2會在其峰值附近出現(xiàn)一個向下的凹陷，凹陷的開始點同基極負電流的開始點是一致的，在觀察發(fā)射極電阻上的電壓（即發(fā)射極電流iE2）波形時，很容易看到這種情況。

從本節(jié)的討論中可以得出以下結論：

1．1 管子由導通變?yōu)榻刂沟倪^程，并不像過去普遍所認為的那樣，靠磁環(huán)飽和使各繞組感應電動勢變?yōu)榱阍斐傻?；而是由于在管子飽和后的某一時刻，磁環(huán)繞阻上的電壓低于管子的基極電壓，出現(xiàn)了反向的基極電流，使管子退出飽和，進入放大狀態(tài)，ic減小，并通過外電路的正反饋使ic進一步減小，結果管子由導通變?yōu)榻刂埂?BR>

實際上，磁環(huán)是否飽和并不是半橋逆變電路中兩個管子轉換的必要條件，在這點上我與葉工的文章深有同感。大家知道，在有的電路中VT1 、VT2基極驅動是由繞在電感的兩個副繞組產(chǎn)生的。顯然，工作時電感是不能飽和的，又如在推挽電路中也未用到可飽和的磁環(huán)變壓器，這都從另一側面證實了上述論點。

1．2 管子（在本例中為VT2）的導通時間的長短與以下因素有關：磁環(huán)感應電動勢到達其峰值時間的早晚（它取決于磁環(huán)材料的性質(zhì)及其尺寸、流經(jīng)電感電流的變化率di/dt的變化趨勢）、管子基極驅動電流iB的大小即管子飽和的深淺、管子開關參數(shù)中存儲時間ts的長短，以及外電路元件參數(shù)等諸多因素有關。

一般說來，磁環(huán)的厚度愈厚，則磁環(huán)感應電動勢到達其峰值時間愈晚；磁環(huán)的匝數(shù)愈多、磁導率μ愈大，則三極管的基極驅動愈厲害，飽和程度愈深，而其退出飽和所用的時間也愈

3長，這時，半橋逆變電路的工作頻率愈低。

加大發(fā)射極電阻RE，增加其負反饋作用，三極管不易飽和，工作頻率將變高；加大基極電阻RB，減小基極驅動電流iB，三極管也不易飽和，工作頻率亦將變高。

在同樣匝數(shù)下，減小磁環(huán)的尺寸（外徑及厚度），則磁環(huán)感應電動勢到達其峰值的時間提前，電路的工作頻率將變高。電感L2的 數(shù)值越大，流過它的電流iL變化越慢，電路的工作頻率將越低。至于燈管的等效電阻及啟動電容對電路的工作頻率的影響，在分析了半橋逆變電路的等效電路以后，我們可以從推導所得出的數(shù)學表達式知道其變化規(guī)律。

二．三極管如何由截止變?yōu)閷ǎㄒ訴T1為例）

從上節(jié)的討論中我們知道，VT2在由導通變?yōu)榻刂沟目焖僮兓^程中，管子處于放大區(qū)，iC2會逐漸減小。由于反饋，使磁環(huán)繞組N2上的電壓由大變小，并改變極性，結果繞組N2上的電壓上負下正，而繞組N1上的電壓上正下負，vN1變正，從而使VT1的基極電壓也變正，但VT1并不馬上就能由截止變?yōu)閷?，而延遲一段時間，如同圖2a中iB2比vN2延遲一段時間是一樣的。為何延遲一段時間，我們在后面討論續(xù)流電容C4的作用時會看到，它是由于電容C4充電（或放電）的持續(xù)時間所造成的。

在vBE1變?yōu)樽銐蛘龝r,VT1的BE結及 BC結均變?yōu)檎? 較大的正vBE1值除產(chǎn)生正向的基極驅動電流iB1、、向基區(qū)注入大量的電子外，還產(chǎn)生由基極流向集電極的反向電流?ic1，此電流由集電極流出，經(jīng)C7流入燈管，同先前VT2流過燈管及電感L2的電流ic2方向是一致的，兩者共同組成燈管電流。在這里，反向集電極電流?ic1的流通路徑是：由VT1集電極經(jīng)C7、燈管、電感L2、磁環(huán)繞組N3、N1及電阻R3（或通過接于VT1的BE結的反向二極管）流回基極。在集電極電流-ic1反向流通（ic1≤0）的時間內(nèi)，三極管VT1可以看作兩個背靠背連接的PN結，在CE之間兩個PN結的壓降是相互抵消的，因而總的壓降很小。以后ic1逐漸加大，由較大的負值變?yōu)檩^小的負值，再變?yōu)榱悖诌M一步變?yōu)檎?。但由于BE結的正向電壓vBE1很大，iB1、使三極管處于深飽和，這樣，ic1≥0時，vCE1仍然很小，如圖3所示（圖中ic 受到一些干擾，ic=0不是一條水平線，但可以看出，有ic時，vCE≈0）。由此可見，在三極管VTI導通的全過程中，CE之間的壓降是很小的，管子可視為短路，而不問其電流為正或負。

在三極管VT1導通時，其ic1變化的規(guī)律同先前討論的VT2集電極電流ic2的波形是一樣的，僅在時間上相差半個周期而已。

從本節(jié)的討論中，我們可以得出以下結論：

2．1 半橋逆變電路的轉換過程是這樣的：在VT1截止、VT2導通時，先是利用反向基流-ib2使VT2從飽和退出、進入放大狀態(tài)、集電極電流減小，利用外電路的再生反饋、在極其短暫的時間內(nèi)，使VT2由導通變?yōu)榻刂?、VT1由截止變?yōu)閷?，并在大約半個周期的時間內(nèi)，維持這一狀態(tài)。然后，又依靠反向基流-ib1使VT1從飽和導通狀態(tài)退出、進入放大狀態(tài)、再一次利用外電路的再生反饋、在極其短暫的時間內(nèi)使之由導通變?yōu)榻刂?，并在大約半個周期內(nèi)維持VT1截止、VT2導通狀態(tài)。如此周而復始，往復循環(huán)，完成一連串的振蕩波形。

可見，在半橋逆變電路的一個開關周期的大部分時間內(nèi)，總是處于一個管子截止，另一個管子飽和導通的狀態(tài)。只有在由飽和轉換為截止的短暫時間內(nèi)，管子才處于放大狀態(tài)，它在一個開關周期中，在時間上所占的比例是很小的。在宏觀討論外電路的電壓及電流波形時，把兩個三極管分別看作短路或開路，所引入的誤差是很小的。

2．2 三極管一旦導通，先是在ic為負值時把它看作是兩個背靠背連接的PN結，在CE之間，兩個PN結的壓降相互抵消，而當ic變?yōu)檎岛笥诌M入飽和狀態(tài)。這樣在有集電極電流ic出現(xiàn)時，vCE基本上等于零（圖3）。三極管可以看作短路，基極失去對集電極電流的控制作用，僅由外電路的參數(shù)來控制集電極電流的大小。

有的學者把半橋逆變電路當作功率放大器來分析，并把后面的LC網(wǎng)絡當作阻抗匹配網(wǎng)絡來看待，顯然與實際情況相悖，文章作者所舉的計算實例，令人感到有點生拼硬湊、牽強附會，根本無法從大多數(shù)實際電路參數(shù)中得到印證，因而是不能令人信服的。

三．電容C4的續(xù)流作用

從圖3中可以看出,兩個管子的導通時間均小于半個周期,在兩個管子的電流之間存在一段死區(qū)時間,這是為避免兩個管子同時導通而燒毀所必需的。但是，在外電路中流過燈管的電流又必須是連續(xù)的交變電流，如何采取措施來解決這個矛盾呢？人們巧妙地利用電容電流可以突變的特性，通過圖1中電容C4的續(xù)流作用，產(chǎn)生正負相間的脈沖,來填充電流ic1、ic2波形之間的缺口,保證流過燈管的電流是連續(xù)的。

下面我們就來分階段討論C4的作用：

由電解電容C3送出的電流經(jīng)電容C7、燈管（以RLA表示）、電感L2和VT2到地，這時C4的電壓基本上等于電源電壓（即C3上的電壓VDC），其極性為上正下負，燈管電流由右向左流，如圖4a。 5

3．2 當VT2已截止、而VT1尚未導通時

由于VT2電流減小，電感L2上的感應電動勢的極性為左正右負，電容C4將與電感L2串聯(lián)對C7充電，而C4本身放電，此時電流流通路徑如圖4b所示。放電電流ic4的方向由下而上流，它接過VT2截止時ic2的向下跳變，維持流過燈管的電流，但一旦VT1導通時，vCE1很小，它電容C4相并聯(lián)，C4的電壓立刻下降為零，C4的放電電流ic4亦跳變?yōu)榱恪？梢奀4的放電電流是一個脈沖波，它的前沿幅度等于VT2截止時ic2的向下的跳變值，而其后沿幅度等于VT1開始導通時ic1的向下的跳變值。ic4流經(jīng)燈管電流的方向與下管VT2流過燈管電流的方向是一致的，它對 電流ic2的正半周是一個接續(xù)和補充，從而補足了電流ic1、ic2波形之間的缺口，保證流過燈管的電流是連續(xù)的。在ic2出現(xiàn)向下跳變時，vN1、 vBE1有向上跳變，但只有C4的續(xù)流電流ic4跳變?yōu)榱銜r，才有基極電流ib1及集電極電流ic1，所以ib比 vN1延遲一段時間，它恰好等于電流ic4的脈沖寬度。

3．3 當VT1導通時

在VT1導電之初，ic1是負的，電流的流通路徑與方向與圖4b相同，不過由VT1代替電容C4的作用而已。一旦ic1≥0，則電流的流通路徑與方向如圖4c所示。燈管電流由左向右流，電流反向。電流ic1與ic2的波形是相似的，僅在時間上相差半個周期。這時，由于VT1導通并飽和，C4上電壓為零，不存儲有電荷。

3．4 當VT1已截止、而VT2尚未導通時

由于VT1截止，電容C4將被充電，充電電流ic4接續(xù)了電流ic1。電流ic4流通路徑如圖4d，其方向是由下而上的，與先前圖4b中C4的放電電流方向相反，因而是一個負脈沖。該脈沖的前沿幅度等于ic1向下的跳變值，而其后沿幅度則等于VT2開始導通時ic2的向下的跳變值。因為一旦VT2導通，vCE2≈0，C4電壓立即上升到VDC，結束充電電流，并形成陡峭的后沿。以后VT2導通，便恢復到3．1的情況。

由以上討論可以知道：VT1、VT2 的電流是交替出現(xiàn)的，中間有一個缺口。利用電容電流可以突變的性質(zhì)，由C4的電流加以補充，使流過燈管的電流是一個連續(xù)的接近正弦或按指數(shù)軌律變化的曲線。在圖4e中那個正負相間的脈沖，就是由C4提供的，它恰好填補了兩個集電極電流缺口。

綜合以上三節(jié)討論，我們可以作出以下結論：

A．在一個開關周期中，三極管VT1、VT2 的基本上可以看作是工作于開關狀態(tài)，或是飽和導通，或是截止關斷，并非處于C類放大狀態(tài)，只有在由飽和導通轉為截止的短暫時間內(nèi)才處于放大狀態(tài)。

B．電路的工作頻率或管子導通時間的長短與磁環(huán)上感應電壓到達其峰值的時間的早晚、管子基極驅動電流的大小、其飽和程度的深淺和存儲時間的長短，以及外電路元件的參數(shù)等有關。

C．兩個三極管VT1、VT2 的電流與電容C4的續(xù)流電流共同構成一個連續(xù)波形，提供給燈管，使之正常發(fā)光。如果把C4的電流當成三極管的電流的一部分，無源半橋C7、C8上的電壓看作直流電壓，分別為VDC/2（或E/2），有源半橋VT1、VT2分別看作是短路或截止，其中點對地電壓為理想的矩形方波，幅度為E/2，那么半橋逆變電路的等效電路可簡化為圖5的形式。圖中，A、B分別為兩個半橋中點，uAB是它們之間的電壓，R即是燈管的等效電阻RLA，等于管壓/管流之比，這里為簡化計，以R表示之；L為扼流電感，即圖1中的L2；C為啟動電容（有的文章把C7作為諧振電路的一部分來分析，顯然是錯誤的），即圖1中的C6。