论文精选:          荧光灯电子镇流工作原理再细探
发表于《中国照明电器》2004年11、12期
《2004全国紧凑型荧光灯技术研讨会论文集》2004年9月南京
这几年来，电子镇流荧光灯行业持续大发展，产品水平不断提高，中国在世界上作为节能灯大国的地位已经确立；中国还要进一步成为节能灯强国，这就需要对产品技术和相应的技术基础理论进行进一步的探索。在对灯用三极管损坏机理的深入研讨中，笔者感到这以前对荧光灯电子镇流工作原理的描述越来越满足不了需要，甚至其中还有谬误之处，有必要对其进行更深入仔细的研究探讨。为避免复杂的数学推导，本文用较多的实测波形图加以说明。
电子镇流器工作最基本的原理是把50HZ的工频交流电，变成20-50KHZ的较高频率的交流电，半桥串联谐振逆变电路中上下两个三极管在谐振回路电容、电感、灯管、磁环的配合下轮流导通和截止，把工频交流电整流后的直流电变成较高频率的交流电。但是，具体工作过程中，不少书刊上把谐振回路电容充放电作为主要因素来描述，甚至认为“振荡电路的振荡频率是由振荡电路充放电的时间常数决定的”。
我们感到谐振回路电容充电和放电是变流过程中的一个重要因素，但是，振荡电路的振荡频率却不能说就是由振荡电路的充放电时间常数决定的，电路工作状态下可饱和脉冲变压器（磁环）磁导率变化曲线的饱和点和三极管的存储时间ts是工作周期的重要决定因素。
三极管开关工作的具体过程中，不少书刊认为“基极电位转变为负电位”使导通三极管转变为截止，”T1（磁环）饱和后，各个绕组中的感应电势为零”“VT1基极电位升高VT2基极电位下降”；我们认为实际工作情况不是这样的。
一、三极管开关工作的三个重要转折点：
1、三极管怎样由导通转变为截止——{dy}个转折点：
不管是图1用触发管DB3产生三极管的起始基极电流Ib，还是基极回路带电容的半桥电路由基极偏置电阻产生三极管VT2的起始基极电流Ib，三极管的Ib产生集电极电流Ic，通过磁环绕组感应，强烈的正反馈使Ic迅速增长，三极管导通,

图1   原理图图2磁环磁化曲线与三极管Vce、Ic、Ib

那么三极管是怎样由导通转变为截止的？
实践证明，三极管导通后其集电极电流Ic增长，其导通转变为截止的过程有两个转折点，首先是可饱和脉冲变压器（磁环）磁导率μ的饱和点。
图2中上面为磁环磁化曲线（B-H）及磁导率μ-H变化曲线，μ=B/H，所以μ就是B-H曲线的斜率，开始时μ随着外场H的增加而增加，当H增大到一定值时μ达到{zd0}，其{zd0}值为μ-H曲线的峰值即可饱和脉冲变压器磁导率的峰值。此后，外场H增加μ减小。在电子镇流荧光灯电路中，磁环工作在可饱和状态，它在每次磁化过程中其μ值必须过其峰值。
在初期可饱和脉冲变压器（磁环）磁导率随着Ic的增长而增长（图2）；Ic增长到一定值，可饱和脉冲变压器的磁导率μ过图2中峰值点，磁环绕组感应电压V环=－Ldi/dt，而磁环绕组电感量L=μN2S/ι（此公式还说明了磁环尺寸在这方面的作用），也就是说磁环绕组感应电压与可饱和脉冲变压器（磁环）磁导率μ成正比，磁环绕组感应电压V环过峰值（关于磁环绕组内电流的情况在本文后面说明，这里先以实测波形图说明），三极管基极电流Ib同步过峰值（图2、图3），图2下半部分为三极管Vce、Ic、Ib波形图，图2上半部分和下半部分有一根垂直的联线，把基极电流Ib的峰值点和可饱和脉冲变压器的磁导率μ的峰值点联系到了一起，这是外部电路改变三极管工作状态的重要信号点，也就是三极管由导通转变为截止的{dy}个转折点。随着V环的下降Ib也下降，但这时基区内部的电压仍然是正的,当磁环绕组感应电压V环低于基区内部的电压时（基区外电路所加电压下降到低于基区内部的电压但仍然是正的），少数的载流子就从基区流出.基极电流反向为负值Ib2（图3红色曲线2）；图3显示了三极管基极电流Ib峰值（红色曲线2）和磁环绕组感应电压峰值（兰色曲线1）是同步的，过峰值后基极电流反向为负值。在这期间，基区电流(称为IB2)是负，但是 VCE 维持在饱和压降VCEsat（图4兰色曲线1），而IC电流正常流动（图4红色曲线2），这时期对应存储时间(Tsi)。在这段时间Vbe始终是正的，但是基区电流(称为IB2)是负的。有的书上说导通管的关闭是因为其基极电位转变为负电位，也有的书上说“T1（磁环）饱和后，各个绕组中的感应电势为零”，这不符合实际情况，从波形图上我们可以清楚地看到这段时间Vbe始终是正的。导通管的基极电位转变为负电位是在Ic存储结束，流过磁环绕组的电流达到峰值－Ldi/dt等于零的时刻之后，而不是在Ic存储刚开始的时刻。

图3磁环绕组感应电压V环及三极管基极电流Ib   图4三极管电压Vce及基极集电极电流IbIc
不少书刊说导通管的关闭是因为其基极电位转变为负电位，这里多加几幅插图加以说明。

图5三极管集电极电流Ic及基极电压Vbe       图6三极管集电极电流Ic及磁环绕组感应电压V环
从图5可以看到在整个三极管集电极电流Ic导通半周期内，其基极电压Vbe都是正的，一直到Ic退出饱和开始下降；从图6可以看到在整个三极管集电极电流Ic导通半周期内，其磁环绕组感应电压V环也都是正的，一直到Ic退出饱和开始下降才开始下降变负。
比较图5和图6可以看到在三极管集电极电流Ic接近{zd0}值，也就是三极管进入存储工作阶段时Vbe＞V环，这也可以用来解释IB2是负值的原因。
基极电流反向为负值是因为三极管进入存储工作阶段时Vbe＞V环，但是，由于V环是正的，而不是负的，所以基极电流反向电流是“流”出来的，而不是“抽”出来的。
扼流电感两端电压电压是由流经电感的电流－di/dt所决定，过零点在峰值点，即电流平顶点（di/dt＝0）（图7）。图7中绿色曲线1是电感两端电压VL的波形，过零点在三极管电流IC（图7中红色曲线2）（在导通半周期内相当于流过电感的电流）峰值点，即电流平顶点（di/dt＝0）
V环变负的真正时间：
磁环绕组感应电压V环=－Ldi/dt，而磁环绕组电感量L=μN2S/ι，在磁环μ过峰值之前，这两个公式都是对的。但是，当磁环饱和之后，也就是磁环绕组感应电压过峰值点之后，由于磁环饱和，磁环绕组中电流的增加难以引起磁芯磁通量的增加，由于μ值下降，磁环绕组电感量L跟着下降，磁环绕组感应电压V环也跟着下降。当三极管Ic过峰值下降时（图7），磁导率μ随着μ-H变化曲线变化，此时V环尚未变负；当三极管Ic急速下降，磁环μ脱离饱和之后，才是V环变负的真正时间（图7）。

图7三极管电流IC（红色2）及磁环次级绕组两端电压（兰色1）、电感两端电压VL（绿色A）
2、三极管从存储结束退出饱和，到三极管被彻底关断（tf）：第二个转折点及第三个转折点
（1）、三极管进入存储时间阶段，Ib变为负值并一直维持（图4绿色曲线A）；三极管存储结束退出饱和：当Ib负电流{jd1}值开始减小的时刻（图4绿色曲线A），也就是Ic存储结束开始减小（图4红色曲线2），Vce离开饱和压降Vcesat开始上升的时刻（图4兰色曲线1），这也就是三极管由导通转变为截止的第二个转折点。整个过程也由两部分组成，开始很快降低，后面还有很长一段电流很小的拖尾。
当没有残余电荷在基区里面时,IB2衰减到零，而IC也为零，这是下降时间，三极管被彻底关断，BC结承担电路电源电压，一般应为310V左右（图4绿色曲线A上毛刺对应的时刻兰色曲线1Vce值为314V））。也就是三极管由导通转变为截止的第三个转折点。
在第二个转折点到第三个转折点之间这段时间，Vce离开饱和压降Vcesat，开始上升到电路电源电压。（图4兰色曲线1）
（2）、电感电流IL与上下两个三极管集电极电流Ic1、Ic2的关系，C3R2的作用（关断过程之二）：
在第二个转折点与第三个转折点之间Ic1Ic2的波形有一个缺口，IL波形没有缺口
三极管Ic存储结束，电流开始快速下降，后面还有很长一段电流很小的拖尾；

图9 上管集电极电流Ic1与下管集电极电流Ic2之间的缺口图10  流过R2C3的电流和Vce电压波形
在这个时候另一个三极管仍然是截止的，还没有开始导通，这样就会造成一个电流缺口(图9)。但是电感L上的电流是不可能中断的，这个缺口由上管CE之间的R2C3的充放电电流来填补（图10）。
上管从Ic存储结束，Vce开始上升，整个过程也有二部分组成，开始很快降低，后面还有很长一段电流很小的拖尾，Vce从零上升到310V，C3也得充电到310V，其充电电流即为填补缺口的那部分电流（图10），电感L中的电流得以平滑过渡。Vce从零上升到310V，C3也得以充电到310V的那一时刻，其充电电流被关断。VT1从截止转为导通时，R2C3放电，其放电电流填补电流缺口。
对于这一点，有的书上是这样说的：“C3R2组成相位校正网络，使输出端产生的基频电压同相”说的应该就是这个意思。
R2C3的存在，实际上也避免了两个三极管电流的重叠，即一个三极管尚未关断，另一个三极管已经导通，所谓“共态导通”的问题，提供了一个“死区时间”。
3、三极管是怎样由截止转变为导通的？有的书刊上说是三极管基极通过磁环次级绕组“得到正电位的激励信号电压而迅速导通”，实际上三极管Ic存储结束的这一时刻开始，磁环次级绕组的电压即过零开始变为正电位，但是直到VT2被彻底关断那一刻以前VT1一直没有开通（图5、图6）。图5、图6中可以清楚地看到三极管产生集电极电流Ic的时刻落后于基极电压Vbe（磁环绕组感应电压V环）变正的时刻一段时间。
确切地说，三极管产生集电极电流Ic（开始开通）的准确时刻应该是另一个三极管被彻底关断的时刻。从整个电子镇流荧光灯电路来说，这也就是前面所说三极管由导通转变为截止的第三个转折点。从时间上来说三极管产生集电极电流Ic（开始开通）的准确时刻也就是R2C3上的充放电电流终了的时刻，而这个时刻正是另一个三极管被彻底关断的时刻。
从波形图上看，三极管产生集电极电流Ic（开始开通）的时刻，正是电感L两端电压的峰值点（图11）。
另一管Ic的开通：电感L中的电流不能突变，而此时Vbe已为正，三极管产生一个反向电流，此时也正好是电感L两端电压的峰值点（图11）。
为什么在电子镇流荧光灯电路中三极管的上升时间tr我们不予以关注？从上面对三极管集电极电流Ic的开通过程就可以得到答案。在这里，三极管集电极电流Ic的上升过程不符合三极管的上升时间tr的定义，因此tr在这里也就失去了它原来的意义。
由于三极管Ic存储结束的这一时刻开始，磁环次级绕组的电压即过零开始变为正电位，但是在R2C3上的充放电电流终了的时刻那一刻以前，正常情况下VT1

图11 Ic的开通正好是电感L两端电压的峰值点图12 BE并联反向二极管三极管Vce、Ic波形图
一直没有开通；必须注意的是，当线路调整不好的时候，这里Ic会产生一个有害的毛刺。

二、三极管集电极电流Ic初始值的讨论：
带电感负载的开关三极管，在三极管关断时因电感产生反电动势会受到一个高电压。但是，在目前国内大量采用的电子镇流荧光灯半桥电压反馈电路中，开关三极管电压的选择，是不考虑这个反电动势的；在实际生产中，用世界上{zh0}的示波器去观察，也看不到高于整流滤波后电源电压的波形；对于灯用三极管设计生产厂家来说，三极管的电压参数选取得是否合理，关系到如何真正做到“低成本、高可靠”；如果不切实际地把三极管的电压参数选高了，用户最需要的电流特性就会受到影响。那么，电路中的这个反电动势，是通过什么渠道泄放掉的？在R2C3上的充放电电流终了后，实际上就是通过三极管集电极电流Ic初始值泄放的。（三极管CE并联反向二极管的话，这个初始值被二极管分流一部分）
由于电感L中的电流不能突变，三极管集电极电流Ic的初始值，必须和R2C3上的充放电电流终了值一致。R2C3上的充放电电流的初始值在数值上与另一个三极管Ic的关断终了值一致，但方向相反；而R2C3上的充放电电流的终了值与初始值相差不大，三极管集电极电流Ic一个很大的负电流初始值就是这样来的。这个很大负电流的流经方式要分四种情况讨论。
1、三极管BE并联反向二极管-三极管BC结（图1）；
2、三极管CE并联反向二极管（图13）；

图13三极管CE并联反向二极管电路图图14三极管BE、CE同时并联反向二极管电路图

3、三极管BE、CE同时并联反向二极管（图14）
4、三极管BE、CE都没有并联反向二极管（图15）

图15三极管BE、CE不加并联反向二极管电路图图16三极管Vce、BE并联反向二极管内电流波形图
在这四种情况中，我们首先讨论{dy}种情况：
从图12图16可以看到，流经三极管集电极的电流Ic从三极管BE之间的二极管流过（图16）。三极管集电极-发射极电压Vce加的是负电压，三极管反向工作。
在这以前，这几年我们一直在三极管的关断功率损耗上做文章，降低三极管的关断功率损耗，提高可靠性。其实三极管反向工作这一段时间的反向功率损耗也应该引起足够的注意，因为这一段时间三极管上的工作电压、电流、延续时间都比较可观，因此其上的功率损耗也比较可观，必须加以注意。
实际生产中，不加BE反向二极管，有一定比例的三极管损坏，而且是BE结损坏，认为是三极管BE反向耐压不够，这是误解。应该是负电流的流经渠道不畅造成三极管功率损耗过大。