如何正確理解半橋逆變電路的工作原理

引言

半橋逆變電路是電子鎮流器和電子節能燈中最常用也是最基本的電路，正確地理解它的工作原理，將有助于我們合理地選擇元器件如磁環(huán)變壓器、扼流電感、啟動(dòng)電容等元件的參數，正確地安排三極管的驅動(dòng)電路，以降低它的功耗與熱量，提高整燈的可靠性。遺憾地是過(guò)去受觀(guān)測儀器（如示波器）和測試手段的局限，我們無(wú)法觀(guān)測到電路中關(guān)鍵點(diǎn)如三極管各個(gè)電極電流的正確波形（如文獻4的電流iB、ic的起始波形就是錯誤的），因而無(wú)法作出符合實(shí)際情況的定量分析和判斷，以至形成一些錯誤的概念。最近看到深?lèi)?ài)公司葉文浩先生發(fā)表在中國照明電器（刊載于04年11、12期）的文章，受到不少啟發(fā)，到歐普照明公司后，利用比較先進(jìn)的示波器TDS5000，對電路關(guān)鍵點(diǎn)的電流和電壓波形，進(jìn)行了仔細的測試，感到認識上有所提高，澄清了過(guò)去不少胡塗概念，特撰寫(xiě)本文，拋磚引玉，與葉先生商榷，并就教于國內方家。

一． 三極管如何由導通變?yōu)榻刂梗ㄒ訴T2為例）

不論是用觸發(fā)管DB3還是由基極偏置電阻產(chǎn)生基極電流iB2(后者用在基極回路中帶電容的半橋逆變電路中)，兩種觸發(fā)方式中的哪一種，在接通電源后，都會(huì )由于iB2的出現而產(chǎn)生VT2的集電極電流ic2，通過(guò)磁環(huán)變壓器的正反饋，引起電壓vBE2上升, iB2進(jìn)一步增加, ic2也隨之增加。出現以下的連鎖反應：

這種再生反饋的結果，產(chǎn)生了雪崩效應，三極管迅速導通并飽和(在半橋逆變電路正常工作期間, 三極管VT1或VT2如何由截止變成導通的原因，我們將在后面文章中加以討論)。導通后的三極管可以看成閉合的開(kāi)關(guān)，三極管的電流ic2不再受基極電流iB2控制，而僅由外電路元件的參數來(lái)確定。

在三極管開(kāi)始導通的一段時(shí)間內，ic2增加，通過(guò)磁環(huán)變壓器繞組間的正反饋使磁環(huán)繞組N2上的感應電動(dòng)勢增加，vBE2及 iB2均增加，由圖2知，iB2同磁環(huán)繞組N2上的電壓vN2基本上式中i是流過(guò)磁環(huán)變壓器次級繞組N2的電流。在磁環(huán)未飽和時(shí)，vN2也與磁環(huán)變壓器原邊繞組的電流、即電感L2的電流變化率成正比。在所討論的情況中，電感L2的電流就是VT2的集電極電流ic2。我們知道，L值與磁環(huán)的磁導率μ成正比（L還與磁環(huán)的尺寸和其繞組的圈數有關(guān)），磁環(huán)的磁導率μ開(kāi)始隨流過(guò)它的勵磁電流（這里就是集電極電流ic2或流過(guò)電感的電流）的增加而增加，在電流為某一數值后達到最大值，以后隨電流的增加而下降。至于電流變化率di/dt出現最大值的時(shí)刻則與電流變化規律有關(guān)，例如如電流按正弦規律變化，則di/dt 在i=0時(shí)為最大。一般在半橋逆變電路中，在i較小時(shí)，di/dt為最大。因此，磁環(huán)變壓器繞組的電壓先是隨ic2的增加而增加，在電流ic2到達最大值之前的某一數值達到最大，并出現一個(gè)峰值（如圖2a中的直線(xiàn)所示），同樣vB2、iB2也出現一個(gè)峰值（如圖2b、 2c的直線(xiàn)所示，它們和vN2出現峰值對應于同一時(shí)刻）。隨著(zhù)ic2的增加，磁環(huán)的磁導率μ下降，其繞組上的電壓vN2及基極電壓vB2將下降，iB2亦下降。在iB2為正值且下降為零之前，在基區中存儲了大量的少數載流子，沒(méi)有通過(guò)集電結被及時(shí)拉走，管子處于飽和狀態(tài)。不難看出，如磁環(huán)繞組上電壓出現峰值的時(shí)刻較晚，管子導通時(shí)間就會(huì )拉長(cháng)；反之，管子導通時(shí)間會(huì )縮短。所以，從某種程度上，磁環(huán)繞組上電壓出現峰值的時(shí)刻早晚（與磁環(huán)的材料性質(zhì)、尺寸有關(guān)），會(huì )影響半橋逆變電路的工作周期和頻率。

在磁環(huán)繞組的電壓出現峰值以后，隨著(zhù)ic2的增加，磁環(huán)的磁導率μ進(jìn)一步下降（極端的情況下，當電流太大時(shí)，磁環(huán)甚至可能飽和，磁導率μ會(huì )很?。┮约癲i/dt的下降，磁環(huán)繞組上的電壓將急劇下降，出現了磁環(huán)繞組N2上的電壓vN2低于vBE2的情況（圖2b中vBE2曲線(xiàn)有一段高于vN2曲線(xiàn)）。這一點(diǎn)十分重要，它會(huì )使基極電流iB2反向，從基區流出，變?yōu)樨撝担▽?shí)際上是基區中多余的少數載流子—電子、跨越發(fā)射結返回到發(fā)射極，電子從基極流向發(fā)射極），與正常的基極電流iB2方向相反，如圖2c所示。正是依靠這個(gè)反向電流?iB2的幫助，使基區多余的電子消失，三極管VT2得以從飽和狀態(tài)退出，進(jìn)入放大狀態(tài)，所用的時(shí)間即為管子的存儲時(shí)間ts（通常我們定義從iB2變負開(kāi)始起、到管子由飽和退出變?yōu)榉糯鬆顟B(tài)所用的時(shí)間稱(chēng)為管子的存儲時(shí)間，它和管子參數及其激勵程度即飽和的深淺有關(guān)）。一旦管子進(jìn)入放大狀態(tài)，電流ic2的下降，就會(huì )通過(guò)磁環(huán)變壓器的正反饋使iB2減小，ic2進(jìn)一步減小。由于這種再生反饋的結果，使集電極電流ic2很快由某一較大值跳變?yōu)榱?、而三極管VT2由導通變?yōu)榻刂?。這時(shí)，我們在示波器上看到ic2波形后沿中有一個(gè)向下的跳變，變化很快，所用的時(shí)間是很短的（圖2a）。

由于iB2變?yōu)樨撝?，以及iB2、ic2 、iE2之間滿(mǎn)足iE2═iB2+ic2的關(guān)系，發(fā)射極電流iE2會(huì )在其峰值附近出現一個(gè)向下的凹陷，凹陷的開(kāi)始點(diǎn)同基極負電流的開(kāi)始點(diǎn)是一致的，在觀(guān)察發(fā)射極電阻上的電壓（即發(fā)射極電流iE2）波形時(shí)，很容易看到這種情況。

從本節的討論中可以得出以下結論：

1．1 管子由導通變?yōu)榻刂沟倪^(guò)程，并不像過(guò)去普遍所認為的那樣，靠磁環(huán)飽和使各繞組感應電動(dòng)勢變?yōu)榱阍斐傻?；而是由于在管子飽和后的某一時(shí)刻，磁環(huán)繞阻上的電壓低于管子的基極電壓，出現了反向的基極電流，使管子退出飽和，進(jìn)入放大狀態(tài)，ic減小，并通過(guò)外電路的正反饋使ic進(jìn)一步減小，結果管子由導通變?yōu)榻刂埂?BR>

實(shí)際上，磁環(huán)是否飽和并不是半橋逆變電路中兩個(gè)管子轉換的必要條件，在這點(diǎn)上我與葉工的文章深有同感。大家知道，在有的電路中VT1 、VT2基極驅動(dòng)是由繞在電感的兩個(gè)副繞組產(chǎn)生的。顯然，工作時(shí)電感是不能飽和的，又如在推挽電路中也未用到可飽和的磁環(huán)變壓器，這都從另一側面證實(shí)了上述論點(diǎn)。

1．2 管子（在本例中為VT2）的導通時(shí)間的長(cháng)短與以下因素有關(guān)：磁環(huán)感應電動(dòng)勢到達其峰值時(shí)間的早晚（它取決于磁環(huán)材料的性質(zhì)及其尺寸、流經(jīng)電感電流的變化率di/dt的變化趨勢）、管子基極驅動(dòng)電流iB的大小即管子飽和的深淺、管子開(kāi)關(guān)參數中存儲時(shí)間ts的長(cháng)短，以及外電路元件參數等諸多因素有關(guān)。

一般說(shuō)來(lái)，磁環(huán)的厚度愈厚，則磁環(huán)感應電動(dòng)勢到達其峰值時(shí)間愈晚；磁環(huán)的匝數愈多、磁導率μ愈大，則三極管的基極驅動(dòng)愈厲害，飽和程度愈深，而其退出飽和所用的時(shí)間也愈

3長(cháng)，這時(shí)，半橋逆變電路的工作頻率愈低。

加大發(fā)射極電阻RE，增加其負反饋作用，三極管不易飽和，工作頻率將變高；加大基極電阻RB，減小基極驅動(dòng)電流iB，三極管也不易飽和，工作頻率亦將變高。

在同樣匝數下，減小磁環(huán)的尺寸（外徑及厚度），則磁環(huán)感應電動(dòng)勢到達其峰值的時(shí)間提前，電路的工作頻率將變高。電感L2的 數值越大，流過(guò)它的電流iL變化越慢，電路的工作頻率將越低。至于燈管的等效電阻及啟動(dòng)電容對電路的工作頻率的影響，在分析了半橋逆變電路的等效電路以后，我們可以從推導所得出的數學(xué)表達式知道其變化規律。

二．三極管如何由截止變?yōu)閷ǎㄒ訴T1為例）

從上節的討論中我們知道，VT2在由導通變?yōu)榻刂沟目焖僮兓^(guò)程中，管子處于放大區，iC2會(huì )逐漸減小。由于反饋，使磁環(huán)繞組N2上的電壓由大變小，并改變極性，結果繞組N2上的電壓上負下正，而繞組N1上的電壓上正下負，vN1變正，從而使VT1的基極電壓也變正，但VT1并不馬上就能由截止變?yōu)閷?，而延遲一段時(shí)間，如同圖2a中iB2比vN2延遲一段時(shí)間是一樣的。為何延遲一段時(shí)間，我們在后面討論續流電容C4的作用時(shí)會(huì )看到，它是由于電容C4充電（或放電）的持續時(shí)間所造成的。

在vBE1變?yōu)樽銐蛘龝r(shí),VT1的BE結及 BC結均變?yōu)檎? 較大的正vBE1值除產(chǎn)生正向的基極驅動(dòng)電流iB1、、向基區注入大量的電子外，還產(chǎn)生由基極流向集電極的反向電流?ic1，此電流由集電極流出，經(jīng)C7流入燈管，同先前VT2流過(guò)燈管及電感L2的電流ic2方向是一致的，兩者共同組成燈管電流。在這里，反向集電極電流?ic1的流通路徑是：由VT1集電極經(jīng)C7、燈管、電感L2、磁環(huán)繞組N3、N1及電阻R3（或通過(guò)接于VT1的BE結的反向二極管）流回基極。在集電極電流-ic1反向流通（ic1≤0）的時(shí)間內，三極管VT1可以看作兩個(gè)背靠背連接的PN結，在CE之間兩個(gè)PN結的壓降是相互抵消的，因而總的壓降很小。以后ic1逐漸加大，由較大的負值變?yōu)檩^小的負值，再變?yōu)榱?，又進(jìn)一步變?yōu)檎?。但由于BE結的正向電壓vBE1很大，iB1、使三極管處于深飽和，這樣，ic1≥0時(shí)，vCE1仍然很小，如圖3所示（圖中ic 受到一些干擾，ic=0不是一條水平線(xiàn)，但可以看出，有ic時(shí)，vCE≈0）。由此可見(jiàn)，在三極管VTI導通的全過(guò)程中，CE之間的壓降是很小的，管子可視為短路，而不問(wèn)其電流為正或負。

在三極管VT1導通時(shí)，其ic1變化的規律同先前討論的VT2集電極電流ic2的波形是一樣的，僅在時(shí)間上相差半個(gè)周期而已。

從本節的討論中，我們可以得出以下結論：

2．1 半橋逆變電路的轉換過(guò)程是這樣的：在VT1截止、VT2導通時(shí)，先是利用反向基流-ib2使VT2從飽和退出、進(jìn)入放大狀態(tài)、集電極電流減小，利用外電路的再生反饋、在極其短暫的時(shí)間內，使VT2由導通變?yōu)榻刂?、VT1由截止變?yōu)閷?，并在大約半個(gè)周期的時(shí)間內，維持這一狀態(tài)。然后，又依靠反向基流-ib1使VT1從飽和導通狀態(tài)退出、進(jìn)入放大狀態(tài)、再一次利用外電路的再生反饋、在極其短暫的時(shí)間內使之由導通變?yōu)榻刂?，并在大約半個(gè)周期內維持VT1截止、VT2導通狀態(tài)。如此周而復始，往復循環(huán)，完成一連串的振蕩波形。

可見(jiàn)，在半橋逆變電路的一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的大部分時(shí)間內，總是處于一個(gè)管子截止，另一個(gè)管子飽和導通的狀態(tài)。只有在由飽和轉換為截止的短暫時(shí)間內，管子才處于放大狀態(tài)，它在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，在時(shí)間上所占的比例是很小的。在宏觀(guān)討論外電路的電壓及電流波形時(shí)，把兩個(gè)三極管分別看作短路或開(kāi)路，所引入的誤差是很小的。

2．2 三極管一旦導通，先是在ic為負值時(shí)把它看作是兩個(gè)背靠背連接的PN結，在CE之間，兩個(gè)PN結的壓降相互抵消，而當ic變?yōu)檎岛笥诌M(jìn)入飽和狀態(tài)。這樣在有集電極電流ic出現時(shí)，vCE基本上等于零（圖3）。三極管可以看作短路，基極失去對集電極電流的控制作用，僅由外電路的參數來(lái)控制集電極電流的大小。

有的學(xué)者把半橋逆變電路當作功率放大器來(lái)分析，并把后面的LC網(wǎng)絡(luò )當作阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )來(lái)看待，顯然與實(shí)際情況相悖，文章作者所舉的計算實(shí)例，令人感到有點(diǎn)生拼硬湊、牽強附會(huì )，根本無(wú)法從大多數實(shí)際電路參數中得到印證，因而是不能令人信服的。

三．電容C4的續流作用

從圖3中可以看出,兩個(gè)管子的導通時(shí)間均小于半個(gè)周期,在兩個(gè)管子的電流之間存在一段死區時(shí)間,這是為避免兩個(gè)管子同時(shí)導通而燒毀所必需的。但是，在外電路中流過(guò)燈管的電流又必須是連續的交變電流，如何采取措施來(lái)解決這個(gè)矛盾呢？人們巧妙地利用電容電流可以突變的特性，通過(guò)圖1中電容C4的續流作用，產(chǎn)生正負相間的脈沖,來(lái)填充電流ic1、ic2波形之間的缺口,保證流過(guò)燈管的電流是連續的。

下面我們就來(lái)分階段討論C4的作用：

由電解電容C3送出的電流經(jīng)電容C7、燈管（以RLA表示）、電感L2和VT2到地，這時(shí)C4的電壓基本上等于電源電壓（即C3上的電壓VDC），其極性為上正下負，燈管電流由右向左流，如圖4a。 5

3．2 當VT2已截止、而VT1尚未導通時(shí)

由于VT2電流減小，電感L2上的感應電動(dòng)勢的極性為左正右負，電容C4將與電感L2串聯(lián)對C7充電，而C4本身放電，此時(shí)電流流通路徑如圖4b所示。放電電流ic4的方向由下而上流，它接過(guò)VT2截止時(shí)ic2的向下跳變，維持流過(guò)燈管的電流，但一旦VT1導通時(shí)，vCE1很小，它電容C4相并聯(lián)，C4的電壓立刻下降為零，C4的放電電流ic4亦跳變?yōu)榱??？梢?jiàn)C4的放電電流是一個(gè)脈沖波，它的前沿幅度等于VT2截止時(shí)ic2的向下的跳變值，而其后沿幅度等于VT1開(kāi)始導通時(shí)ic1的向下的跳變值。ic4流經(jīng)燈管電流的方向與下管VT2流過(guò)燈管電流的方向是一致的，它對 電流ic2的正半周是一個(gè)接續和補充，從而補足了電流ic1、ic2波形之間的缺口，保證流過(guò)燈管的電流是連續的。在ic2出現向下跳變時(shí)，vN1、 vBE1有向上跳變，但只有C4的續流電流ic4跳變?yōu)榱銜r(shí)，才有基極電流ib1及集電極電流ic1，所以ib比 vN1延遲一段時(shí)間，它恰好等于電流ic4的脈沖寬度。

3．3 當VT1導通時(shí)

在VT1導電之初，ic1是負的，電流的流通路徑與方向與圖4b相同，不過(guò)由VT1代替電容C4的作用而已。一旦ic1≥0，則電流的流通路徑與方向如圖4c所示。燈管電流由左向右流，電流反向。電流ic1與ic2的波形是相似的，僅在時(shí)間上相差半個(gè)周期。這時(shí)，由于VT1導通并飽和，C4上電壓為零，不存儲有電荷。

3．4 當VT1已截止、而VT2尚未導通時(shí)

由于VT1截止，電容C4將被充電，充電電流ic4接續了電流ic1。電流ic4流通路徑如圖4d，其方向是由下而上的，與先前圖4b中C4的放電電流方向相反，因而是一個(gè)負脈沖。該脈沖的前沿幅度等于ic1向下的跳變值，而其后沿幅度則等于VT2開(kāi)始導通時(shí)ic2的向下的跳變值。因為一旦VT2導通，vCE2≈0，C4電壓立即上升到VDC，結束充電電流，并形成陡峭的后沿。以后VT2導通，便恢復到3．1的情況。

由以上討論可以知道：VT1、VT2 的電流是交替出現的，中間有一個(gè)缺口。利用電容電流可以突變的性質(zhì)，由C4的電流加以補充，使流過(guò)燈管的電流是一個(gè)連續的接近正弦或按指數軌律變化的曲線(xiàn)。在圖4e中那個(gè)正負相間的脈沖，就是由C4提供的，它恰好填補了兩個(gè)集電極電流缺口。

綜合以上三節討論，我們可以作出以下結論：

A．在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，三極管VT1、VT2 的基本上可以看作是工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，或是飽和導通，或是截止關(guān)斷，并非處于C類(lèi)放大狀態(tài)，只有在由飽和導通轉為截止的短暫時(shí)間內才處于放大狀態(tài)。

B．電路的工作頻率或管子導通時(shí)間的長(cháng)短與磁環(huán)上感應電壓到達其峰值的時(shí)間的早晚、管子基極驅動(dòng)電流的大小、其飽和程度的深淺和存儲時(shí)間的長(cháng)短，以及外電路元件的參數等有關(guān)。

C．兩個(gè)三極管VT1、VT2 的電流與電容C4的續流電流共同構成一個(gè)連續波形，提供給燈管，使之正常發(fā)光。如果把C4的電流當成三極管的電流的一部分，無(wú)源半橋C7、C8上的電壓看作直流電壓，分別為VDC/2（或E/2），有源半橋VT1、VT2分別看作是短路或截止，其中點(diǎn)對地電壓為理想的矩形方波，幅度為E/2，那么半橋逆變電路的等效電路可簡(jiǎn)化為圖5的形式。圖中，A、B分別為兩個(gè)半橋中點(diǎn)，uAB是它們之間的電壓，R即是燈管的等效電阻RLA，等于管壓/管流之比，這里為簡(jiǎn)化計，以R表示之；L為扼流電感，即圖1中的L2；C為啟動(dòng)電容（有的文章把C7作為諧振電路的一部分來(lái)分析，顯然是錯誤的），即圖1中的C6。