HID 灯镇流器的空间和成本节约解决方案

高强度放电（HID）灯最初设计用于户外和工业应用，因其显色特性已得到改进且小尺寸已上市，目前已延伸至室内应用，如办公室照明和零售灯饰。HID灯需要一个镇流器 来激发放电，并在灯启动后限制住电流。混合频率全桥逆变器 是HID灯镇流器中一个较为常用的拓扑结构，因为它可以通过方形波产生替代低频电压，只需单一逆变器级即可同样控制输出电压的振幅。

然而，当该逆变器在连续电流模式（CCM）下运行时须考虑MOSFET故障。 因此，逆变器应在临界电流模式下（CRM）运行以避免MOSEFT故障。HID灯点火后抗阻变得极低。 这种情况下，逆变器不可避免地要在连续电流模式（CCM）下运行，并出现击穿电流。 因此，必须使用附加快速恢复二极管 （FRD）来防止故障出现。 新型UniFET II MOSFET具有可靠的体二极管特性，其峰值反向恢复电流足够低，能够防止器件故障。 本文将介绍HID灯镇流器混合频率全桥逆变器的效能。为了验证其有效性，使用150W室内HID灯镇流器进行实验并提供实验结果。

混合频率逆变器和故障机理

HID灯镇流器的工作模式简单分为2种状态：瞬态和稳态。 瞬态下，灯抗阻变得极低，因此灯电压降低以限制灯电流。 随着灯抗阻的稳定上升，灯电压也逐渐增高，工作模式从瞬态转变为稳态。 峰值灯电流低于Ilimit之后，灯由恒定功率控制模式驱动。 镇流器的运行必须遵循上述流程，图1显示HID灯镇流器中的混合频率全桥逆变器。 在图1中，Q5为点火开关，产生一个脉冲高压将HID灯点亮。 混合频率逆变器由高频臂（包括MOSFET Q1和Q2以及附加二极管D1~D4）和低频臂（包括IGBT Q3和Q4）组成。 由于灯只在点火后才会放电，因此需要一个点火电路。 Q5和变压器T组成点火电路。 电源开启后，Q5开始开关过程，一个超过3 kV的高电压即通过变压器T应用到灯上。灯一旦通过高电压点亮后，Q5的开关过程即停止，灯通过交流电压方波发光。 变压器T、电感器L以及电容器C的漏电感组成低通滤波器。 逆变器的运行分为4种模式，但其中2种模式反复交替。半个周期内，在低频臂中，一个IGBT保持导通状态，另一个IGBT保持关断状态，而在高频臂中的一个MOSFET处于高频开关状态。 因此，平均灯电压可通过控制高频引脚中MOSFET的占空比得以控制。

图1: HID灯镇流器混合频率逆变器

如果逆变器的高频臂在连续电流模式（CCM）下工作，由于MOSFET体二极管反向恢复特性较差，在高端和低端开关中必然都会出现高电流峰值。 这种高电平电流实际上不存在击穿条件，只是看起来像，因为高端开关和低端开关中的电流方向是相同的。 高电流峰值可触发MOSFET结构中的寄生双极结型晶体管。 寄生双极结型晶体管（BJT）导通后，由于负温度系数，会形成一个热点且更多电流汇集其中，这最终将导致器件故障。 一个常见的解决方案是应用阻断二极管来阻止体二极管导通，在MOSFET两端并联额外的续流二极管，以减少峰值电流水平。 在图1中，D1和D3是阻流二极管，需要较低的正向压降；D2和D4是续流二极管，需要快速恢复特性。 这些二极管必然会阻止故障出现，但是增加了电路复杂性和系统成本。

最新MOSFET技术

MOSFET体二极管的反向恢复特性远次于分立式快速恢复二极管。 功率MOSFET的体二极管反向恢复时间非常长，且反向恢复电荷非常大。 尽管其性能比较差，功率MOSFET的体二极管还是经常在桥式电路中用作续流二极管。 正因为越来越多的应用将MOSFET体二极管用作系统关键元件，才促使MOSFET体二极管特性有了很大的改进。 通常来说，可以通过使用寿命控制过程来实现这个目的，这类似于分立式快速恢复二极管。 这一额外过程控制载流子的寿命，从而减少反向恢复电荷和反向恢复时间。 然而，该过程也带来某些缺陷。 更多的寿命控制导致MOSFET导通电阻增大。 这与导致正向压降增大的分立式快速恢复二极管的副作用类似。 另外一个负效应是漏源极间的漏电流增大，但漏电流水平仍在可接受范围内，并且在大多数情况下无关紧要。 因此，电气特性的主要权衡点在于反向恢复性能和导通损耗。 在HID灯镇流器混合频率逆变器应用中，较小的反向恢复电荷对于系统可靠性是非常重要的。 去除肖特基二极管（D1和D2）能够减少导通损耗，以补偿略有增加的MOSFET（Q1和Q2）导通电阻。 现在，重要的是Q1和Q2有了可以与分立式快速恢复二极管D2和D4不相上下的强壮体二极管性能。 为了实现更好的体二极管性能，开发了经高度优化的UniFET II MOSFET系列。 该系列改善了体二极管的耐受性并减少了输出电容中的储能，同时最大限度地减小如增加导通电阻等负面效应。 特别是，极大改善了其峰值反向恢复电流Irr,不再会引起器件故障。 此外，其dv/dt抗干扰性能是普通MOSFET的两倍多。 因此，在击穿dv/dt模式下可承受两倍以上的电流压力。图2展示了UniFET II MOSFET系列、传统MOSFT（FQPF9N50C） 和分立式快速恢复二极管（BYV28X-500）的反向恢复性能。 显然，UniFET II MOSFET系列的反向恢复特性优于传统MOSFET,甚至优于快速恢复二极管（FRD） 的反向恢复特性。

图2:反向恢复特性

镇流器的性能测试结果

为了验证UniFETTM II MOSFET系列的有效性，使用包括混合频率逆变器的150W室内HID灯镇流器进行实验。 镇流器的逆变器电路与图1相同。低频臂由2个IGBT组成，其工作频率范围为60Hz~120Hz. 另一个臂的工作频率范围为30kHz~110kHz. 采用普通MOSFET和FRD的传统解决方案与UniFET II MOSFET系列之间的击穿电流对比结果如图3所示。在传统解决方案中，反向恢复电流的峰值是11.44A. 而UniFET II MOSFET系列反向恢复电流的峰值是10.48A.

图3:瞬态下的穿通电流对比

结论

UniFET II MOSFET系列具有更佳反向恢复特性，如快速恢复时间和低反向恢复电荷。 因此，可去除混合频率逆变器系统中防止故障所需的4个额外二极管。 实验证明UniFET II MOSFET系列可提高混合频率逆变器的系统可靠性，由于去除了额外的二极管，因此可节省电路板空间和制造成本。