智能功率集成电路

1、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。智能功军

2、鼐成电路智能功军鼐成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

3、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

4、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

5、,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

6、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1EC929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”，“

7、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半桥逆变电爵 及自启动部分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滤波电路第一部分L、C、C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，

8、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VD -VD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C上的直流脉动电压，电容C起平滑滤波的作用。当输入交 流电压瞬时值超过电3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 C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

9、，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 V或E表示之。DC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

10、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。半桥逆变电路的工作原理图3-4中，三极管VT、VT组成有源半桥支路，电容C、C组成无源半桥支1 、 27_ - 8 .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，而省去C不用。VT、VT是半桥逆变电

11、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）VT2的触发导通加上电源后，由直流电压V （E）提供的电流经R、R对积分电容C充电。一 旦其电压达到并超过触发二极管DB （它实际上是两个背对背连接的齐纳二极管） 的转折电压（3040V）后，该二极管击穿导通，并有电流注入VT2的基极，使VT2 导通，此时，电流流通的路径为电源VC3C7灯丝C6灯丝电感 L 磁环变压器Tr的初级绕组N VT面

12、集电极地。62 VT集电极电流的增长趋势在磁环变压器的初级绕组N上产生感应电动势， 同时在其次级（N、*）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的基极电位升高，VT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，VT2导通并很快饱和。在VT导通后，电容C上的电荷通过二极管VD和导通后的管子VT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VT基极产生影响。所以，由 R、R、C及DB所组成的触发电路（或称自启动电路），只在电源接通后对VT的 12532导通起触发作用；而在VT、VT开关转换后，其开关转换频率很高，V

13、T截止时 间很短，在这样短的时间内C来不及得到充分的充电，而在VT导通后，2 C又能 很快放电。这样，在C上面的电压是一个幅度很小的锯齿波，达不到足以使DB 导通的电压。因此，一旦电路转换，VT、VT轮流导通与截止后，DB将不再导通，3 对电路也不起任何作用。123（2） VT的转换：如何由导通变为截止在三极管2VT导通后，开始i、i、v均增加，到某一时刻，v达到一个最 2. b2 c2 b2 B2大（峰）值，电流i也有一个峰值，以后由于磁环的磁导率下降，v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v低于

14、v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2结，返回到发射极）， i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，VT从饱和状态退出，进入放大状态。一旦进入放大状态，电 流i下降，通过磁环的正反馈使i、i进一步减小，出现与上述相反的过程， .c2 c2 一一VT很快变为截止。基极的反向电流是很重要的，它能帮助VT退出饱和状态，是 VT：由导通转换为截止的必要条件。22 （3）VT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N的电压V改变极性，上正下负，在 延迟一段时间后，VT有电流i产生，在磁环变压器中将产生与i增加

15、时相反 极性的电动势，即各绕组中用炉.”表示的同名端电压为负。这样一来，VT的基 极电位上升，集电极电流 七将增加，电流的流通路径为电源V3VT1集电极 VT发射极电感L 灯丝C 灯丝C8羸。1流过电感L及磁环的电流与 VT导通时的电流方向相反，并出现连锁反应，结果 VT迅速由截止变为导通并饱和：以后经过一段时间，VT又会由导通变为截止， 其过程与VT由导通变为截止的过程是一样的。1在VT由截止变为导通的开始且v变为足够正时，VT的基射结及基集结都变为 正偏；并有较大的正vb1值，它除产生正向基极电流ib向基区注入大量电子外， 还产生由基极流向集电极的反向电流-i，此电流由集电极流出。集电极的

16、反向 c1电流经C流入灯管，同先刖的VT流过灯管及电感L的电流方向是一致的，组成 7 2 一 2一一 灯管电流。它的流通路线是：由VT集电极经C、灯管、电感L、磁环绕组N、 N及电阻R （或通过接于VT的基射1结的反向二极管）流回基极：在集电极的反向 电流-i流通的时间内，三极管VT可以看作是两个背对背连接的PN结，在集射 极之间两个PN结的压降是相互抵消的，因而压降很小。以后，i逐渐加大，由 负变正，由于基射极之间的压降v很大，很大的i使三极管VT处于深饱和， 这样i N0时VT的集射极之间压降仍然很小。由此可见，在三极管导通的全过 程中，它的集射极之间压降一直是很小的，可以视为短路，而不论

17、其集电极电流 为正或为负。这时候三极管可视为闭合的开关。上述三极管转换过程周而复始地 重复下去，VT、VT轮流地导通与截止。VT集射极 1电压V就是有源半桥中点的电压，它是方波电压，在转换过程中， 先由E1下降到零，以后又由零跳变为E。无源半桥中点电压一直为直流电压的一 半，即E/2。这样，两个半桥中点之间的电压是一个交变的方波电压，其幅度为 E/2。此交变的方波电压经过启动电容C、电感L的串联谐振作用，使流过灯管 的电流接近正弦波，并在C6两端产生了一个很高的电压（其值由电感匕的Q值及 电容C的值决定）加到灯管上，将灯管启辉点亮。如将灯丝预热（如加2 PTC热敏 电阻，6或通过电感上的次级绕

18、组给灯丝预热），将会使灯管触发启辉所需要的电 压降低，灯管更容易点亮。灯被点亮后，灯管可近似视为一个电阻，其值由稳定 后的灯管电压与灯管电流之比求得，它对电路的工作频率有影响。电容C4的续流作用在电路实际搭建时，应当在两个三极管之间插入一段“死区时间”，以避免 两个三极管同时导通而烧毁。但是，流过电感以及灯管的电流又必须是连续的交 变电流，因此在实际电路中还会引入电容C，利用电容电流可以突变的特性，在 C上产生正负相间的脉冲，补充在两管都不4导通时的电流缺口，保证流过灯管的4.电流是连续的。（三）影响镇流器工作频率的一些因素影响镇流器工作频率的因素很多，主要有磁环变压器的匝数（N、N、N）， 它的磁导率M，电路中三极管的基极电阻、发射极电阻，以及灯管的参数（灯管 长度、管压、管流等）。除此以外，环境温度也会对工作频率产生影响。磁环的次级匝数N、N愈多，则三极管的驱动电压愈人，三极管的管压低， 进入饱和深，工作频率愈低2，反之结果相反。磁环的磁导率p愈大，工作频率愈低。加大发射极电阴（R）,增加其负反馈作用，三极管不易饱和，工作频率将变高， 加大基极电阻（Rb）,减小驱动电流及三极管饱和程度，工作频率亦将变高。当环境温度上升时，三极管的基极电压Ub减小,存储电荷与存储时间变大，工作 频率将变低。铁氧体磁环的磁导