【導(dǎo)讀】高強度放電（HID）燈需要一個鎮(zhèn)流器來激發(fā)放電，并在燈啟動后限制住電流。本文將介紹一款節(jié)約空間及成本的HID燈鎮(zhèn)流器解決方案。該方案通過提高混合頻率逆變器的系統(tǒng)可靠性，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。
高強度放電（HID）燈最初設(shè)計用于戶外和工業(yè)應(yīng)用，因其顯色特性已得到改進且小尺寸已上市，目前已延伸至室內(nèi)應(yīng)用，如辦公室照明和零售燈飾。HID燈需要一個鎮(zhèn)流器來激發(fā)放電，并在燈啟動后限制住電流?；旌项l率全橋逆變器是HID燈鎮(zhèn)流器中一個較為常用的拓撲結(jié)構(gòu)，因為它可以通過方形波產(chǎn)生替代低頻電壓，只需單一逆變器級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）下運行時須考慮MOSFET故障。因此，逆變器應(yīng)在臨界電流模式下(CRM)運行以避免MOSEFT故障。HID燈點火后抗阻變得極低。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UniFETII 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。為了驗證其有效性，使用150W室內(nèi)HID燈鎮(zhèn)流器進行實驗并提供實驗結(jié)果。
混合頻率逆變器和故障機理
HID燈鎮(zhèn)流器的工作模式簡單分為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。鎮(zhèn)流器的運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為點火開關(guān)，產(chǎn)生一個脈沖高壓將HID燈點亮?；旌项l率逆變器由高頻臂（包括MOSFETQ1和Q2以及附加二極管D1~D4）和低頻臂（包括IGBTQ3和Q4）組成。由于燈只在點火后才會放電，因此需要一個點火電路。Q5和變壓器T組成點火電路。電源開啟后，Q5開始開關(guān)過程，一個超過3kV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。逆變器的運行分為4種模式，但其中2種模式反復(fù)交替。半個周期內(nèi)，在低頻臂中，一個IGBT保持導(dǎo)通狀態(tài)，另一個IGBT保持關(guān)斷狀態(tài)，而在高頻臂中的一個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
最新MOSFET技術(shù)
MOSFET體二極管的反向恢復(fù)特性遠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)時間非常長，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。正因為越來越多的應(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。通常來說，可以通過使用壽命控制過程來實現(xiàn)這個目的，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。另外一個負效應(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，以補償略有增加的MOSFET（Q1和Q2）導(dǎo)通電阻。
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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不相上下的強壯體二極管性能。為了實現(xiàn)更好的體二極管性能，開發(fā)了經(jīng)高度優(yōu)化的UniFETIIMOSFET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能，同時最大限度地減小如增加導(dǎo)通電阻等負面效應(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UniFETIIMOSFET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，UniFETIIMOSFET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)流器的性能測試結(jié)果為了驗證UniFETTMIIMOSFET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)流器進行實驗。鎮(zhèn)流器的逆變器電路與圖1相同。低頻臂由2個IGBT組成，其工作頻率范圍為60Hz~120Hz。另一個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UniFETIIMOSFET系列之間的擊穿電流對比結(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UniFETIIMOSFET系列反向恢復(fù)電流的峰值是10.48A。
圖3：瞬態(tài)下的穿通電流對比
結(jié)論
UniFETIIMOSFET系列具有更佳反向恢復(fù)特性，如快速恢復(fù)時間和低反向恢復(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個額外二極管。實驗證明UniFETIIMOSFET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。
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