节约空间及成本的HID灯镇流器解决方案
品慧电子讯高强度放电（HID）灯需要一个镇流器来激发放电，并在灯启动后限制住电流。本文将介绍一款节约空间及成本的HID灯镇流器解决方案。该方案通过提高混合频率逆变器的系统可靠性，去除了额外的二极管，因此可节省电路板空间和制造成本。
高强度放电（HID）灯最初设计用于户外和工业应用，因其显色特性已得到改进且小尺寸已上市，目前已延伸至室内应用，如办公室照明和零售灯饰。HID灯需要一个镇流器来激发放电，并在灯启动后限制住电流。混合频率全桥逆变器是HID灯镇流器中一个较为常用的拓扑结构，因为它可以通过方形波产生替代低频电压，只需单一逆变器级即可同样控制输出电压的振幅。
然而，当该逆变器在连续电流模式（CCM）下运行时须考虑MOSFET故障。因此，逆变器应在临界电流模式下(CRM)运行以避免MOSEFT故障。HID灯点火后抗阻变得极低。这种情况下，逆变器不可避免地要在连续电流模式(CCM)下运行，并出现击穿电流。因此，必须使用附加快速恢复二极管(FRD)来防止故障出现。新型UniFETII MOSFET具有可靠的体二极管特性，其峰值反向恢复电流足够低，能够防止器件故障。本文将介绍HID灯镇流器混合频率全桥逆变器的效能。为了验证其有效性，使用150W室内HID灯镇流器进行实验并提供实验结果。
混合频率逆变器和故障机理
HID灯镇流器的工作模式简单分为2种状态：瞬态和稳态。瞬态下，灯抗阻变得极低，因此灯电压降低以限制灯电流。随着灯抗阻的稳定上升，灯电压也逐渐增高，工作模式从瞬态转变为稳态。峰值灯电流低于Ilimit之后，灯由恒定功率控制模式驱动。镇流器的运行必须遵循上述流程，图1显示HID灯镇流器中的混合频率全桥逆变器。在图1中，Q5为点火开关，产生一个脉冲高压将HID灯点亮。混合频率逆变器由高频臂（包括MOSFETQ1和Q2以及附加二极管D1~D4）和低频臂（包括IGBTQ3和Q4）组成。由于灯只在点火后才会放电，因此需要一个点火电路。Q5和变压器T组成点火电路。电源开启后，Q5开始开关过程，一个超过3kV的高电压即通过变压器T应用到灯上。灯一旦通过高电压点亮后，Q5的开关过程即停止，灯通过交流电压方波发光。变压器T、电感器L以及电容器C的漏电感组成低通滤波器。逆变器的运行分为4种模式，但其中2种模式反复交替。半个周期内，在低频臂中，一个IGBT保持导通状态，另一个IGBT保持关断状态，而在高频臂中的一个MOSFET处于高频开关状态。因此，平均灯电压可通过控制高频引脚中MOSFET的占空比得以控制。
图1：HID灯镇流器混合频率逆变器如果逆变器的高频臂在连续电流模式（CCM）下工作，由于MOSFET体二极管反向恢复特性较差，在高端和低端开关中必然都会出现高电流峰值。这种高电平电流实际上不存在击穿条件，只是看起来像，因为高端开关和低端开关中的电流方向是相同的。高电流峰值可触发MOSFET结构中的寄生双极结型晶体管。寄生双极结型晶体管(BJT)导通后，由于负温度系数，会形成一个热点且更多电流汇集其中，这最终将导致器件故障。一个常见的解决方案是应用阻断二极管来阻止体二极管导通，在MOSFET两端并联额外的续流二极管，以减少峰值电流水平。在图1中，D1和D3是阻流二极管，需要较低的正向压降；D2和D4是续流二极管，需要快速恢复特性。这些二极管必然会阻止故障出现，但是增加了电路复杂性和系统成本。
最新MOSFET技术
MOSFET体二极管的反向恢复特性远次于分立式快速恢复二极管。功率MOSFET的体二极管反向恢复时间非常长，且反向恢复电荷非常大。尽管其性能比较差，功率MOSFET的体二极管还是经常在桥式电路中用作续流二极管。正因为越来越多的应用将MOSFET体二极管用作系统关键元件，才促使MOSFET体二极管特性有了很大的改进。通常来说，可以通过使用寿命控制过程来实现这个目的，这类似于分立式快速恢复二极管。这一额外过程控制载流子的寿命，从而减少反向恢复电荷和反向恢复时间。然而，该过程也带来某些缺陷。更多的寿命控制导致MOSFET导通电阻增大。这与导致正向压降增大的分立式快速恢复二极管的副作用类似。另外一个负效应是漏源极间的漏电流增大，但漏电流水平仍在可接受范围内，并且在大多数情况下无关紧要。因此，电气特性的主要权衡点在于反向恢复性能和导通损耗。在HID灯镇流器混合频率逆变器应用中，较小的反向恢复电荷对于系统可靠性是非常重要的。去除肖特基二极管(D1和D2)能够减少导通损耗，以补偿略有增加的MOSFET（Q1和Q2）导通电阻。
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- 第一页：混合频率逆变器和故障机理
- 第二页：镇流器的性能测试结果
现在，重要的是Q1和Q2有了可以与分立式快速恢复二极管D2和D4不相上下的强壮体二极管性能。为了实现更好的体二极管性能，开发了经高度优化的UniFETIIMOSFET系列。该系列改善了体二极管的耐受性并减少了输出电容中的储能，同时最大限度地减小如增加导通电阻等负面效应。特别是，极大改善了其峰值反向恢复电流Irr，不再会引起器件故障。此外，其dv/dt抗干扰性能是普通MOSFET的两倍多。因此，在击穿dv/dt模式下可承受两倍以上的电流压力。图2展示了UniFETIIMOSFET系列、传统MOSFT(FQPF9N50C)和分立式快速恢复二极管（BYV28X-500）的反向恢复性能。显然，UniFETIIMOSFET系列的反向恢复特性优于传统MOSFET，甚至优于快速恢复二极管(FRD)的反向恢复特性。
图2：反向恢复特性镇流器的性能测试结果
为了验证UniFETTMIIMOSFET系列的有效性，使用包括混合频率逆变器的150W室内HID灯镇流器进行实验。镇流器的逆变器电路与图1相同。低频臂由2个IGBT组成，其工作频率范围为60Hz~120Hz。另一个臂的工作频率范围为30kHz~110kHz。采用普通MOSFET和FRD的传统解决方案与UniFETIIMOSFET系列之间的击穿电流对比结果如图3所示。在传统解决方案中，反向恢复电流的峰值是11.44A。而UniFETIIMOSFET系列反向恢复电流的峰值是10.48A。
图3：瞬态下的穿通电流对比
结论
UniFETIIMOSFET系列具有更佳反向恢复特性，如快速恢复时间和低反向恢复电荷。因此，可去除混合频率逆变器系统中防止故障所需的4个额外二极管。实验证明UniFETIIMOSFET系列可提高混合频率逆变器的系统可靠性，由于去除了额外的二极管，因此可节省电路板空间和制造成本。
