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(zhèn)流器和電子節(jié)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(shù)，正確地安排三極管的驅(qū)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)去受觀測(cè)儀器（如示波器）和測(cè)試手段的局限，我們無(wú)法觀測(cè)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(xiàn)4的電流iB、ic的起始波形就是錯(cuò)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(cuò)誤的概念。最近看到深?lèi)?ài)公司葉文浩先生發(fā)表在中國(guó)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(duì)電路關(guān)鍵點(diǎn)的電流和電壓波形，進(jìn)行了仔細(xì)的測(cè)試，感到認(rèn)識(shí)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(guó)內(nèi)方家。

一． 三極管如何由導(dǎo)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(xiàn)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(xiàn)以下的連鎖反應(yīng)：

這種再生反饋的結(jié)果，產(chǎn)生了雪崩效應(yīng)，三極管迅速導(dǎo)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(dǎo)通的原因，我們將在后面文章中加以討論)。導(dǎo)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(shù)來(lái)確定。

在三極管開(kāi)始導(dǎo)通的一段時(shí)間內(nèi)，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(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(jí)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(dǎo)率μ成正比（L還與磁環(huán)的尺寸和其繞組的圈數(shù)有關(guān)），磁環(huán)的磁導(dǎo)率μ開(kāi)始隨流過(guò)它的勵(lì)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(shù)值后達(dá)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(xiàn)最大值的時(shí)刻則與電流變化規(guī)律有關(guān)，例如如電流按正弦規(guī)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(dá)最大值之前的某一數(shù)值達(dá)到最大，并出現(xiàn)一個(gè)峰值（如圖2a中的直線所示），同樣vB2、iB2也出現(xiàn)一個(gè)峰值（如圖2b、 2c的直線所示，它們和vN2出現(xiàn)峰值對(duì)應(yīng)于同一時(shí)刻）。隨著ic2的增加，磁環(huán)的磁導(dǎo)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(qū)中存儲(chǔ)了大量的少數(shù)載流子，沒(méi)有通過(guò)集電結(jié)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(xiàn)峰值的時(shí)刻較晚，管子導(dǎo)通時(shí)間就會(huì)拉長(zhǎng)；反之，管子導(dǎo)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(xiàn)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(xiàn)峰值以后，隨著ic2的增加，磁環(huán)的磁導(dǎo)率μ進(jìn)一步下降（極端的情況下，當(dāng)電流太大時(shí)，磁環(huán)甚至可能飽和，磁導(dǎo)率μ會(huì)很小）以及di/dt的下降，磁環(huán)繞組上的電壓將急劇下降，出現(xiàn)了磁環(huán)繞組N2上的電壓vN2低于vBE2的情況（圖2b中vBE2曲線有一段高于vN2曲線）。這一點(diǎn)十分重要，它會(huì)使基極電流iB2反向，從基區(qū)流出，變?yōu)樨?fù)值（實(shí)際上是基區(qū)中多余的少數(shù)載流子—電子、跨越發(fā)射結(jié)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(qū)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(chǔ)時(shí)間ts（通常我們定義從iB2變負(fù)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(chǔ)時(shí)間，它和管子參數(shù)及其激勵(lì)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(jié)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(dǎo)通變?yōu)榻刂?。這時(shí)，我們?cè)谑静ㄆ魃峡吹絠c2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?fù)值，以及iB2、ic2 、iE2之間滿足iE2═iB2+ic2的關(guān)系，發(fā)射極電流iE2會(huì)在其峰值附近出現(xiàn)一個(gè)向下的凹陷，凹陷的開(kāi)始點(diǎn)同基極負(fù)電流的開(kāi)始點(diǎn)是一致的，在觀察發(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(jié)的討論中可以得出以下結(jié)論：

1．1 管子由導(dǎo)通變?yōu)榻刂沟倪^(guò)程，并不像過(guò)去普遍所認(rèn)為的那樣，靠磁環(huán)飽和使各繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(xiàn)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(jié)果管子由導(dǎo)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(zhuǎn)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(qū)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(cè)面證實(shí)了上述論點(diǎn)。

1．2 管子（在本例中為VT2）的導(dǎo)通時(shí)間的長(zhǎng)短與以下因素有關(guān)：磁環(huán)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)到達(dá)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(shì)）、管子基極驅(qū)動(dòng)電流iB的大小即管子飽和的深淺、管子開(kāi)關(guān)參數(shù)中存儲(chǔ)時(shí)間ts的長(zhǎng)短，以及外電路元件參數(shù)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(yīng)電動(dòng)勢(shì)到達(dá)其峰值時(shí)間愈晚；磁環(huán)的匝數(shù)愈多、磁導(dǎo)率μ愈大，則三極管的基極驅(qū)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(zhǎng)，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(fù)反饋?zhàn)饔茫龢O管不易飽和，工作頻率將變高；加大基極電阻RB，減小基極驅(qū)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(shù)下，減小磁環(huán)的尺寸（外徑及厚度），則磁環(huán)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)到達(dá)其峰值的時(shí)間提前，電路的工作頻率將變高。電感L2的 數(shù)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(duì)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(dǎo)所得出的數(shù)學(xué)表達(dá)式知道其變化規(guī)律。

二．三極管如何由截止變?yōu)閷?dǎo)通（以VT1為例）

從上節(jié)的討論中我們知道，VT2在由導(dǎo)通變?yōu)榻刂沟目焖僮兓^(guò)程中，管子處于放大區(qū)，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(jié)果繞組N2上的電壓上負(fù)下正，而繞組N1上的電壓上正下負(fù)，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?dǎo)通，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?cè)诤竺嬗懻摾m(xù)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(xù)時(shí)間所造成的。

在vBE1變?yōu)樽銐蛘龝r(shí),VT1的BE結(jié)及 BC結(jié)均變?yōu)檎? 較大的正vBE1值除產(chǎn)生正向的基極驅(qū)動(dòng)電流iB1、、向基區(qū)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(jié)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(nèi)，三極管VT1可以看作兩個(gè)背靠背連接的PN結(jié)，在CE之間兩個(gè)PN結(jié)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(fù)值變?yōu)檩^小的負(fù)值，再變?yōu)榱?，又進(jìn)一步變?yōu)檎?。但由于BE結(jié)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，但可以看出，有ic時(shí)，vCE≈0）。由此可見(jiàn)，在三極管VTI導(dǎo)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(fù)。

在三極管VT1導(dǎo)通時(shí)，其ic1變化的規(guī)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(jié)的討論中，我們可以得出以下結(jié)論：

2．1 半橋逆變電路的轉(zhuǎn)換過(guò)程是這樣的：在VT1截止、VT2導(dǎo)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(nèi)，使VT2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂埂T1由截止變?yōu)閷?dǎo)通，并在大約半個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)，維持這一狀態(tài)。然后，又依靠反向基流-ib1使VT1從飽和導(dǎo)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(nèi)使之由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?，并在大約半個(gè)周期內(nèi)維持VT1截止、VT2導(dǎo)通狀態(tài)。如此周而復(fù)始，往復(fù)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(nèi)，總是處于一個(gè)管子截止，另一個(gè)管子飽和導(dǎo)通的狀態(tài)。只有在由飽和轉(zhuǎn)換為截止的短暫時(shí)間內(nèi)，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(dǎo)通，先是在ic為負(fù)值時(shí)把它看作是兩個(gè)背靠背連接的PN結(jié)，在CE之間，兩個(gè)PN結(jié)的壓降相互抵消，而當(dāng)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(xiàn)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(duì)集電極電流的控制作用，僅由外電路的參數(shù)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(dāng)作功率放大器來(lái)分析，并把后面的LC網(wǎng)絡(luò)當(dāng)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(jì)算實(shí)例，令人感到有點(diǎn)生拼硬湊、牽強(qiáng)附會(huì)，根本無(wú)法從大多數(shù)實(shí)際電路參數(shù)中得到印證，因而是不能令人信服的。

三．電容C4的續(xù)流作用

從圖3中可以看出,兩個(gè)管子的導(dǎo)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(qū)時(shí)間,這是為避免兩個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)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(xù)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(xù)流作用，產(chǎn)生正負(fù)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(xù)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(fù)，燈管電流由右向左流，如圖4a。 5

3．2 當(dāng)VT2已截止、而VT1尚未導(dǎo)通時(shí)

由于VT2電流減小，電感L2上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極性為左正右負(fù)，電容C4將與電感L2串聯(lián)對(duì)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(dǎo)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?。可?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(dǎo)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(duì) 電流ic2的正半周是一個(gè)接續(xù)和補(bǔ)充，從而補(bǔ)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(xù)的。在ic2出現(xiàn)向下跳變時(shí)，vN1、 vBE1有向上跳變，但只有C4的續(xù)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(dāng)VT1導(dǎo)通時(shí)

在VT1導(dǎo)電之初，ic1是負(fù)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(dǎo)通并飽和，C4上電壓為零，不存儲(chǔ)有電荷。

3．4 當(dāng)VT1已截止、而VT2尚未導(dǎo)通時(shí)

由于VT1截止，電容C4將被充電，充電電流ic4接續(xù)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(fù)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(dǎo)通時(shí)ic2的向下的跳變值。因?yàn)橐坏￢T2導(dǎo)通，vCE2≈0，C4電壓立即上升到VDC，結(jié)束充電電流，并形成陡峭的后沿。以后VT2導(dǎo)通，便恢復(fù)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(xiàn)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(bǔ)充，使流過(guò)燈管的電流是一個(gè)連續(xù)的接近正弦或按指數(shù)軌律變化的曲線。在圖4e中那個(gè)正負(fù)相間的脈沖，就是由C4提供的，它恰好填補(bǔ)了兩個(gè)集電極電流缺口。

綜合以上三節(jié)討論，我們可以作出以下結(jié)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(dǎo)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(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止的短暫時(shí)間內(nèi)才處于放大狀態(tài)。

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

C．兩個(gè)三極管VT1、VT2 的電流與電容C4的續(xù)流電流共同構(gòu)成一個(gè)連續(xù)波形，提供給燈管，使之正常發(fā)光。如果把C4的電流當(dāng)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(duì)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(jì)，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(cuò)誤的），即圖1中的C6。