智能功率集成电路

智能功率集成电路之电子镇流器摘要：本文介绍了智能功率集成电路应用于电子镇流器的相关内容，介绍了电子镇流器电路的基本构成，核心电路的工作原理，旨在对功率集成电路的工作方式形成一定的认识。

关键词：智能功率集成电路电子镇流器半桥逆变电路启辉一、智能功率集成电路概述SPIC将输出功率器件、低压控制信号处理以及传感、保护、检测、诊断等功能电路集成到同一芯片上,是微电子技术和电力电子技术、控制技术、检测技术相结合的产物，目前被广泛应用于汽车电子、开关电源、电机驱动、工业控制和电源管理等方面。

SPIC电路的基本构成如图所示。

SPIC一般包括三个部分:功率控制、检测和保护以及接口电路。

功率控制电路包括功率器件和驱动电路两部分,主要实现终端功率输出处理功能。

出于功耗、控制难度等考虑,功率电路一般使用MOS栅功率器件为主。

为了保证功率器件正常工作并发挥出功率器件的特点,一般还需要增加栅驱动电路或电平位移电路,来控制功率器件的开启和关断。

检测和保护电路主要针对SPIC高压、大电流特点,增加SPIC或外围电路发生异常情况(过压/欠压、过温、过流和短路/断路等)时进行保护的功能,从而较好地保护SPIC不受损坏,提高SPIC的稳定性和使用寿命。

SPIC发生异常情况(如过热、过压等)时,如果在很短时间内不作出反应,SPIC电路(特别是功率器件)就可能损毁,所SPIC的检测和保护功能一般由高速双极型晶体管构成的高性能模拟电路完成。

随着CMOS特征尺寸的大幅度减小,标准CMOS器件的截止频率也达到几十GHZ到上百GHZ的范围，目前很多检测和保护电路也采用CMOS电路来替代双极型晶体管电路,因为这有利于简化工艺步骤、降低生产成本和减小芯片面积等。

出于这种变化趋势,部分BCD工艺也逐渐向CMOS-DMOS工艺转变。

SPIC接口电路一般由高密度逻辑CMOS实现,主要功能是完成与微机的信息交互,对微机的指令进行简单处理然后控制功率器件作出响应,同时将当前的工作状态、负载信息及其他，检测到的信息传送回给微机系统,为下一步更好地控制SPIC电路提供数据。

随着BCD工艺水平的不断提高,SPIC的接口电路已不仅仅是这些功能,它集成ROM器件可以不间断地储存SPIC相关的信息，它集成射频模块电路使它具有无线通信功能等。

日常生活中，电子镇流器是智能功率集成电路的一个重要应用。

1938 年问世的荧光灯，是照明光源的一个飞跃。

在荧光灯问世后的40 余年间,人们一直采用电感式镇流器并配之启辉器作为稳流和启动附件。

电感镇流器的优点是可靠性较高, 使用寿命较长。

但由于这种镇流器体积和重量大而且自身功耗大，有噪音，会使荧光灯产生频闪。

早有人就针对电感镇流器存在的一些弊端，开始了对其改进的研究，在50年代，提出了采用电了镇流器的设想。

1963年,Roddam在《晶体管变流器与换能器》一书中，首次发表了荧光灯交流电子镇流器具体电路，并进行了详细的分析和讨论。

只是由于当时没有可供选择的功率开关晶体管,Raddam的设计方案并未得到实施"。

半导体开关功率器件的出现，人们终于将这一设想变为现实。

在美国等一些发达国家，早在上个世界90年代初就已开始限制生产和使用白炽灯和电感镇流器，这就为直管形荧光灯交流电子镇流器提供了巨大的市场和发为此，像飞利浦、ST、西门子、摩托罗拉和三星等一些半导体巨商，从未停止电子镇流器控制IC的开发与生产。

70年代80年代初，飞利浦公司率先推出了由分立元器件组成的电子镇流器,这是自1938年荧光灯问世以来在技术上的一次重大突破。

1997年10月1日,我国“绿色照明工程”正式启动,这是照明技术领域内一项重大决策和举措，必将对我国的能源、电光源和照明技术，甚至环境保护等各个领域产生巨大影响。

随着电子镇流器的发展，迫切需要制定国际性标准。

于是，IEC928和lEC929应运而生。

我国对电子镇流器的研究始于80年代中期，近年来该产品已形成一定生产规模。

根据因产电子镇流器的发展情况,我国也先后颁布了ZBK74011-89和ZBK74012-90专业标准。

这些产品标准的一个重要特点就是对电子镇流器的性能要求和安全性要求非常苛刻。

例如“正常情况下使用时,应使灯启动,但不对灯性能造成损害”，“施加阴极预热电压的最短时间应不少于0.4S”,“开路电压的波峰系数不得超过l.8”，“在最低预热期间，不得产生即使是极窄的、不影响有效值的电压峰值”等规定。

目前，电子镇流器!"已经由自激式发展到软启动式，提高了可靠性和使用寿命。

二、电子镇流器原理（一）电子镇流器电路的基本组成一个基本的电子镇流器的框图如上所示。

它包含防止电磁干扰（EMI）的EMI 滤波电路、整流电路、平滑滤波电路、功率因数校正电路、半桥逆变电路及其自启动电路、灯负载等部分。

（二）半桥逆变电路及其工作原理1.滤波电路第一部分L1、C1、C2组成型EMI 滤波器，用来滤除半桥逆变电路本身所产生的EMI信号，使它们不能通过电源线进入其他电气设备，避免引起传导干扰。

二极管VD1–VD4组成全波桥式整流电路，将交流电压(频率为50Hz/60Hz) 整流，转换为电解电容器C3上的直流脉动电压，电容C3起平滑滤波的作用。

当输入交流电压瞬时值超过电解电容器上的电压时，它便对电解电容器充电，充电电流流过输入端；而当输入电压低于电解电容器上的电压时，停止充电，由电解电容器C3对后面的负载即半桥逆变电路放电。

这样一来，电解电容器时而充电，时而放电。

只有在对电解电容器充电很短的一段时间内才有电流流过电源的输入端。

可见，输入电流是一个持续时间很短的窄脉冲，而不再是正弦波了。

由于这个原因，电路的功率因数是很低的，为0.5 左右。

电解电容器的容量愈大，后面的负载愈轻(即半桥逆变电路所支取的电流愈小),则电解电容器上的电压愈平滑，愈接近直流电压，输入电流的窄脉冲的持续时间也愈短，功率因数愈低。

在这种情况下，半桥逆变电路的供电电压相对来说是比较稳定的，我们能够把半桥逆变电路中开关三极管的工作状态调整到比较好的状态，镇流器自身损耗很少，三极管工作比较可靠。

滤波后的电压可看成是一个近似恒定的直流电压，在输入为220V 交流电压下，其有效值300–310V,并以VDC或E表示之。

反之，电解电容器的容量愈小，后面的负载愈重，则充放电过程进行得愈厉害，而电解电容器上的电压起伏愈大，输入端电流持续时间也愈长，其功率因数愈大。

下图所示是电解电容器CZ 上的电压波形及输入端电源电流波形。

显而易见，输入电流远不是一个正弦波形,产生了非线性失真，这是因为电源接到非线性的器件（二极管）所造成的。

2.半桥逆变电路的工作原理 图3-4 中，三极管VT 1、VT 2组成有源半桥支路，电容C 7、C 8组成无源半桥支路，半桥的中点电压为直流电压的一半，即E/2。

灯管作为负载与电感L 2相串联，跨接在两个半桥中点之间。

由半桥中点所提供的高频方波电压，代替了50HZ 的低频电压来供给灯管，可以减轻电感的重量和尺寸，也有助于减少损耗。

在紧凑型荧光灯中，为节省空间，只用C 7，而省去C 8不用。

VT 1、VT 2是半桥逆变电路中的重要器件，起着功率开关的作用，它们将直流电压转变为高颊功率信号，驱动灯管发光。

在选择三极管时，应考虑其开关参数如存储时间、开关时间以及放大倍数、最大集电极电流、反向耐压等，并根据灯功率的不同，选用不同型号、规格的管子。

电路的工作原理如下：（1）VT 2的触发导通加上电源后，由直流电压V DE (E) 提供的电流经R 1、R 2对积分电容C 5充电。

一旦其电压达到并超过触发二极管DB 3(它实际上是两个背对背连接的齐纳二极管)的转折电压(30~40V) 后，该二极管击穿导通，并有电流注入VT 2的基极，使VT 2导通，此时，电流流通的路径为电源V C3——C 7——灯丝——C 6——灯丝——电感L 2——磁环变压器Tr 的初级绕组N 3——VT 2的集电极——地。

VT 2集电极电流的增长趋势在磁环变压器的初级绕组N 3 上产生感应电动势，同时在其次级(N 1、N 2) 也产生感应电动势，其极性是各绕组上用“﹒”表示的同名端为正，从而使VT 2的基极电位升高，VT 2的基极电流、集电极电流进一步加大，在电路中产生连锁反应，在这种连锁的正反馈作用下，VT 2导通并很快饱和。

在VT2导通后，电容C5上的电荷通过二极管VD5和导通后的管子VT2放电，其电压很快下降，不再能使触发管导通，该支路也不再对VT2基极产生影响。

所以，由R 1、R2、C5及DB3所组成的触发电路(或称自启动电路),只在电源接通后对VT2的导通起触发作用; 而在VT1、VT2开关转换后，其开关转换频率很高, VT2截止时间很短，在这样短的时间内C5来不及得到充分的充电，而在VT2导通后，C5又能很快放电。

这样，在C5上面的电压是一个幅度很小的锯齿波,达不到足以使DB3导通的电压。

因此，一旦电路转换，VT1、VT2轮流导通与截止后，DB3将不再导通，对电路也不起任何作用。

（2）VT2的转换: 如何由导通变为截止在三极管VT2导通后，开始i b2、i c2、v b2均增加，到某一时刻，v B2达到一个最大(峰)值，电流i b2也有一个峰值，以后由于磁环的磁导率下降，v b2开始下降。

此时在基区仍存在大量的少数载流子（电子）还没有被拉走，管子仍处于饱和状态。

但随着磁环磁导率的下降，会出现磁环绕组上电压vN2低于v b2的情况，使基极电流反向（实际上是存储在基区的少数载流子跨过基射结，返回到发射极)，ib2变为负值，依靠此反向电流，使基区中引起饱和的多余的少数载流子被拉走，经过一段时间后，VT2从饱和状态退出，进入放大状态。

一旦进入放大状态，电流i c2下降，通过磁环的正反馈使i b2、i c2进一步减小，出现与上述相反的过程，VT2很快变为截止。

基极的反向电流是很重要的，它能帮助VT2退出饱和状态，是VT2由导通转换为截止的必要条件。

（3）VT1的转换: 如何由截止变为导通在上述正反馈变化的同时，磁环绕组N1的电压VN1改变极性，上正下负，在延迟一段时间后，VT1有电流i c1产生，在磁环变压器中将产生与i c2增加时相反极性的电动势,即各绕组中用“﹒”表示的同名端电压为负。

这样一来，VT1的基极电位上升,集电极电流i c1将增加，电流的流通路径为电源V C3——VT1集电极——VT1发射极——电感L2——灯丝——C6——灯丝——C8——地。

流过电感L2及磁环的电流与VT2导通时的电流方向相反，并出现连锁反应，结果VT1迅速由截止变为导通并饱和。

以后经过一段时间，VT1又会由导通变为截止，其过程与VT2由导通变为截止的过程是一样的。