采用智能功率技術(shù)的熒光燈驅動(dòng)電路設計

編者按：在照明應用電子變換器實(shí)現中，成本制約因素驅動(dòng)著(zhù)技術(shù)的選擇。除下文要介紹的創(chuàng )新的縱向智能功率(VIPower)解決方案外，市場(chǎng)上還存在另外兩種不同的經(jīng)典方法。
第一種方法是基于IC器件，與若干個(gè)外部無(wú)源器件一起，驅動(dòng)兩個(gè)高壓(通常高于400V)功率MOS晶體管，實(shí)現一個(gè)半橋變換器。

第二種方法基于兩個(gè)高壓雙極晶體管和大量的無(wú)源器件，但是只能實(shí)現前文提到的另外兩個(gè)解決方案集成的具體功能中的部分功能。雙極解決方案被用于成本極其低廉、性能中低的應用中。

相對于經(jīng)典的方法，本文提出了一個(gè)創(chuàng )新的解決方案，它的成本具有很強的競爭力，而且性能也可得到增強。

VK06TL采用意法半導體(ST)獨有的智能功率VIPower M3-3制造技術(shù)，這項技術(shù)允許在同一芯片上集成控制部分和功率級。功率級是一個(gè)“發(fā)射極開(kāi)關(guān)”，這個(gè)“發(fā)射極開(kāi)關(guān)”通過(guò)在一個(gè)共射-共基放大器結構中放置一個(gè)雙極高壓達林頓晶體管和一個(gè)低壓MOS場(chǎng)效應晶體管制成的，因此，這個(gè)解決方案實(shí)現了雙極器件的低壓降與斷態(tài)時(shí)高擊穿電壓之間的平衡，以及MOS場(chǎng)效應晶體管的開(kāi)關(guān)速度快的特性。

由于在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，雙極晶體管級處于共基極模式，因此，從雙極晶體管的基極抽出貯存電荷的負基極電流基本上是集電極電流，因為這個(gè)原因，這個(gè)“發(fā)射極開(kāi)關(guān)”結構可以實(shí)現一個(gè)很高的頻率(200kHz左右)。

這個(gè)特性使共射-共基放大器結構的開(kāi)關(guān)性能比一個(gè)標準雙極晶體高出很多，可與一個(gè)場(chǎng)效應MOS晶體管媲美。因此，我們說(shuō)這個(gè)器件沒(méi)有電荷貯存效應。這項技術(shù)的控制部分是采用BCD(雙極-互補MOS-雙擴散MOS)單元庫實(shí)現的。

熒光燈鎮流器驅動(dòng)器

在VIPower M3-3技術(shù)基礎之上，我們設計了一個(gè)熒光燈鎮流器專(zhuān)用的驅動(dòng)器(VK06TL)。這個(gè)器件采用兩種不同的封裝：SO-16表面組裝封裝和ST19通孔組裝封裝。

在圖1的變換器半橋中，VK06TL被指定用于上橋臂和下橋臂，因為采用兩個(gè)VK06TL，幾乎無(wú)需外部器件，只用兩個(gè)二次繞組就可以導通一次側扼流圈，所以，設計一個(gè)效率極高而成本極低的熒光燈變換器是可行的。

圖1：M3-3 橫截面圖

這個(gè)變換器能夠恰當地管理一個(gè)高端熒光燈應用的全部必備的工作條件：?jiǎn)?dòng)、預熱頻率和時(shí)長(cháng)控制、點(diǎn)火和穩態(tài)階段。這個(gè)半橋可以實(shí)現過(guò)流保護(EOL：燈管壽命終止)、整流效應保護和過(guò)溫保護，從而創(chuàng )造一個(gè)全保護系統。如圖2：VK06TL的簡(jiǎn)化塊圖所示，我們考慮到了以下幾個(gè)因素：

圖2：VK06TL簡(jiǎn)化塊圖

功率級是由一個(gè)雙極高壓達林頓晶體管和一個(gè)低壓MOS場(chǎng)效應晶體管組成的共射-共基放大器，這個(gè)解決方案實(shí)現了雙極器件的低壓降與斷態(tài)時(shí)高擊穿電壓之間的平衡，以及MOS場(chǎng)效應晶體管的開(kāi)關(guān)速度快的特性。這個(gè)功率級由雙極晶體管的基極上的固定電流供電，并由柵極端子控制。在導通狀態(tài)(Vg > Vthreshold)，集電極電流可以通過(guò)MOS晶體管流向集電極，貯存階段開(kāi)始。

在這個(gè)階段，發(fā)射極電流不再流動(dòng)，而且集電極電流變成負基極電流。因為發(fā)射機開(kāi)關(guān)操作，貯存時(shí)長(cháng)降低到幾百納秒(無(wú)貯存效應)。一旦所有的基極電荷都被抽空，功率級就進(jìn)入斷態(tài)。由于貯存時(shí)間短，功率級能夠以高于標準雙極晶體管的頻率工作(最高500KHz)，同時(shí)還能維持一個(gè)很高的標準功率MOS無(wú)法達到的耐壓能力(最高1KV)，而且導通損耗極低。

控制級和功率級都是由Vcc引腳供電，Vcc引腳通過(guò)一個(gè)電阻電容(R-C)網(wǎng)絡(luò )與直流總線(xiàn)相連。在啟動(dòng)階段，電容通過(guò)一個(gè)高阻值的電阻器充電，因此，只需幾百微安。由于功率雙極晶體貯存基極電流是在通過(guò)‘Vcc充電網(wǎng)絡(luò )’連接Vcc引腳的電容上恢復的，因此，在工作階段，器件是自己給自己供電。

VK06TL這項特殊功能允許使用功耗更小的電阻器，而且上電橋臂電源無(wú)需充電泵。

必須從連接二次繞組的SEC引腳觸發(fā)、接通這個(gè)器件，同時(shí)，啟動(dòng)振蕩電路還需要一個(gè)二極管交流開(kāi)關(guān)管的功能。通過(guò)SEC引腳，系統可以負載諧振頻率振蕩，同時(shí)，通過(guò)CAP1、CAP2和CapPREH引腳管理預熱和穩態(tài)頻率。特別是，CapPREH引腳上的電容器用于設定預熱時(shí)長(cháng)。