【導讀】高強度放電（HID）燈需要一個鎮流器來激發放電，并在燈啟動后限制住電流。本文將介紹一款節約空間及成本的HID燈鎮流器解決方案。該方案通過提高混合頻率逆變器的系統可靠性，去除了額外的二極管，因此可節省電路板空間和制造成本。
高強度放電（HID）燈最初設計用于戶外和工業應用，因其顯色特性已得到改進且小尺寸已上市，目前已延伸至室內應用，如辦公室照明和零售燈飾。HID燈需要一個鎮流器來激發放電，并在燈啟動后限制住電流。混合頻率全橋逆變器是HID燈鎮流器中一個較為常用的拓撲結構，因為它可以通過方形波產生替代低頻電壓，只需單一逆變器級即可同樣控制輸出電壓的振幅。
然而，當該逆變器在連續電流模式（CCM）下運行時須考慮MOSFET故障。因此，逆變器應在臨界電流模式下(CRM)運行以避免MOSEFT故障。HID燈點火后抗阻變得極低。這種情況下，逆變器不可避免地要在連續電流模式(CCM)下運行，并出現擊穿電流。因此，必須使用附加快速恢復二極管(FRD)來防止故障出現。新型UniFETII MOSFET具有可靠的體二極管特性，其峰值反向恢復電流足夠低，能夠防止器件故障。本文將介紹HID燈鎮流器混合頻率全橋逆變器的效能。為了驗證其有效性，使用150W室內HID燈鎮流器進行實驗并提供實驗結果。
混合頻率逆變器和故障機理
HID燈鎮流器的工作模式簡單分為2種狀態：瞬態和穩態。瞬態下，燈抗阻變得極低，因此燈電壓降低以限制燈電流。隨著燈抗阻的穩定上升，燈電壓也逐漸增高，工作模式從瞬態轉變為穩態。峰值燈電流低于Ilimit之后，燈由恒定功率控制模式驅動。鎮流器的運行必須遵循上述流程，圖1顯示HID燈鎮流器中的混合頻率全橋逆變器。在圖1中，Q5為點火開關，產生一個脈沖高壓將HID燈點亮。混合頻率逆變器由高頻臂（包括MOSFETQ1和Q2以及附加二極管D1~D4）和低頻臂（包括IGBTQ3和Q4）組成。由于燈只在點火后才會放電，因此需要一個點火電路。Q5和變壓器T組成點火電路。電源開啟后，Q5開始開關過程，一個超過3kV的高電壓即通過變壓器T應用到燈上。燈一旦通過高電壓點亮后，Q5的開關過程即停止，燈通過交流電壓方波發光。變壓器T、電感器L以及電容器C的漏電感組成低通濾波器。逆變器的運行分為4種模式，但其中2種模式反復交替。半個周期內，在低頻臂中，一個IGBT保持導通狀態，另一個IGBT保持關斷狀態，而在高頻臂中的一個MOSFET處于高頻開關狀態。因此，平均燈電壓可通過控制高頻引腳中MOSFET的占空比得以控制。
圖1：HID燈鎮流器混合頻率逆變器
最新MOSFET技術
MOSFET體二極管的反向恢復特性遠次于分立式快速恢復二極管。功率MOSFET的體二極管反向恢復時間非常長，且反向恢復電荷非常大。盡管其性能比較差，功率MOSFET的體二極管還是經常在橋式電路中用作續流二極管。正因為越來越多的應用將MOSFET體二極管用作系統關鍵元件，才促使MOSFET體二極管特性有了很大的改進。通常來說，可以通過使用壽命控制過程來實現這個目的，這類似于分立式快速恢復二極管。這一額外過程控制載流子的壽命，從而減少反向恢復電荷和反向恢復時間。然而，該過程也帶來某些缺陷。更多的壽命控制導致MOSFET導通電阻增大。這與導致正向壓降增大的分立式快速恢復二極管的副作用類似。另外一個負效應是漏源極間的漏電流增大，但漏電流水平仍在可接受范圍內，并且在大多數情況下無關緊要。因此，電氣特性的主要權衡點在于反向恢復性能和導通損耗。在HID燈鎮流器混合頻率逆變器應用中，較小的反向恢復電荷對于系統可靠性是非常重要的。去除肖特基二極管(D1和D2)能夠減少導通損耗，以補償略有增加的MOSFET（Q1和Q2）導通電阻。
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現在，重要的是Q1和Q2有了可以與分立式快速恢復二極管D2和D4不相上下的強壯體二極管性能。為了實現更好的體二極管性能，開發了經高度優化的UniFETIIMOSFET系列。該系列改善了體二極管的耐受性并減少了輸出電容中的儲能，同時最大限度地減小如增加導通電阻等負面效應。特別是，極大改善了其峰值反向恢復電流Irr，不再會引起器件故障。此外，其dv/dt抗干擾性能是普通MOSFET的兩倍多。因此，在擊穿dv/dt模式下可承受兩倍以上的電流壓力。圖2展示了UniFETIIMOSFET系列、傳統MOSFT(FQPF9N50C)和分立式快速恢復二極管（BYV28X-500）的反向恢復性能。顯然，UniFETIIMOSFET系列的反向恢復特性優于傳統MOSFET，甚至優于快速恢復二極管(FRD)的反向恢復特性。
圖2：反向恢復特性
鎮流器的性能測試結果為了驗證UniFETTMIIMOSFET系列的有效性，使用包括混合頻率逆變器的150W室內HID燈鎮流器進行實驗。鎮流器的逆變器電路與圖1相同。低頻臂由2個IGBT組成，其工作頻率范圍為60Hz~120Hz。另一個臂的工作頻率范圍為30kHz~110kHz。采用普通MOSFET和FRD的傳統解決方案與UniFETIIMOSFET系列之間的擊穿電流對比結果如圖3所示。在傳統解決方案中，反向恢復電流的峰值是11.44A。而UniFETIIMOSFET系列反向恢復電流的峰值是10.48A。
圖3：瞬態下的穿通電流對比
結論
UniFETIIMOSFET系列具有更佳反向恢復特性，如快速恢復時間和低反向恢復電荷。因此，可去除混合頻率逆變器系統中防止故障所需的4個額外二極管。實驗證明UniFETIIMOSFET系列可提高混合頻率逆變器的系統可靠性，由于去除了額外的二極管，因此可節省電路板空間和制造成本。
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