Применение ключевых транзисторов в схемах электронных балластов

Для применения в схемах электронных балластов для флуоресцентных ламп компанией «ON Semiconductor» выпускается серия дискретных ключевых транзисторов (биполяр-ных и IGBT) серии PowerLux. Питание ламп дневного света от преобразователей обеспечивается переменным током частотой 20...60 кГц, оптимальной для характеристик светоотдачи и КПД.

Используют обратноходовые инверторы, а также резонансные схемы источников тока и напряжения.

Рис. 4.44

Используется резонансная последо-вательная LC-цепь для обеспечения напряжения зажигания лампы (рис. 4.44 и рис. 4.45).

Рис. 4.45

Ограничивающим фактором применения МДП-транзисторов является относительно высокое сопротивление открытого канала, для уменьшения которого приходится увеличивать относительные размеры полупроводникового кристалла. Поэтому более перспективным выглядит применение ключевых транзисторов типа CoolMOS (рис. 4.46). Полумостовая схема с последовательным резонансным LC-контуром на биполярном ключе.

Рис. 4.46

Для обеспечения ионизации газа внутри лампы и ее зажигания используется последовательный резонанс напряжения, в результате которого возрастает напряжение на конденсаторе, подключенном параллельно лампе. Максимальное напряжение, на нагрузке, определяется:

(4.80)

где Е–напряжение питания полумостовой схемы; Q–добротность последовательного RLC-контура.

Характеристика изменения комплексного сопротивления нагрузки от частоты переключения транзистора рис.4.47.

1. Область предварительного разогрева накальных нитей лампы При начальном запуске преобразователя частота управления несколько выше резонансной и точка покоя по переменному току находится в зоне, обозначенной буквой А.Данный режим необходим для дальнейшего более эффективного запуска режима зажигания лампы, а также для продления срока ее службы.

2. Понижение частоты, и линия нагрузки перемещается в зону В. Ток схемы растет, и в результате явления резонанса напряжение на емкости С увеличивается до необходимого уровня зажигания лампы. Сопротивление лампы после зажигания уменьшается, емкость С оказывается частично шунтированной. Это изменяет характеристику нагрузки (сдвиг влево на рис. 4.47), а точка покоя перемещается в зону установившегося состояния (зона Д). Ток в схеме определяется индуктивностью L и напряжением питания преобразователя.

Рис. 4.47

Расчет

Напряжение питания полумостовой схемы определяется как максимальное напряжение питающей сети:

(4.81)

где V_EF = 220B – действующее значение напряжения сети переменного тока.

Минимальный класс рабочего напряжения ключа выбирается равным:

(4.82)

где V_(BR)CEO — напряжение пробоя коллектор—эмиттер при оборванной базе.

Напряжение пробоя коллектор—эмиттер с учетом смещения базовой цепи (V_(BR)CER, V_(BR)CEV, и т.п.):

(4.83)

Для полумостовой схемы с учетом практически линейного закона изменения тока и для стандартной мощности ламп P_L = 55 Вт значение тока I_C(max) рассчитывается:

(4.84)

В режиме запуска максимальные токи увеличиваются в 4...5 раз по сравнению с установившимся режимом, поэтому необходимо выбирать транзисторы на рабочий ток = 4 А.

Рассчитанным значениям соответствует:

· Биполярный транзистор серии PowerLux D2 типа BUL45D2 с параметрами:

V_(BR)CES = 700В и I_C(max) = 4А.

· Минимальное значение параметра h_FE = 20 с разбросом ±30% для 25°С и токовой нагрузки 1А.

· Управляющий базовый ток I_B = 0.25А обеспечивает гарантированное насыщение транзистора (V_BE(sat) = 1В, V_CE(sat) = 0.4В) во всем диапазоне токовой нагрузки.

· Максимальная температура внутри корпуса электронного балласта равна 70°С.

Мощность потерь Дополнительные данные для расчета:

· Частота переключения f = 40 кГц;

· Длительность открытого состояния ключа tp = 12.5 мкс;

· Время спада тока ключа t_F = 100 не;

· Тепловое сопротивление переход—окружающая среда (при работе ключа без охладителя) R_ThJA = 62.5°С/Вт (тип корпуса ТО220);

Мощность потерь на переключение (выключение):

(4.85)

Мощность потерь в открытом состоянии:

(4.86)

Мощность потерь на управление:

(4.87)

Температура перехода:

(4.88)

Осциллограммы коллекторного тока и напряжения ключа для режима запуска схемы и установившегося состояния представлены на рис. 4.48.

а

б

Рис. 4.48