保护电路探讨.doc

自激振荡电子镇流器中抑制高频振荡的保护电路改进措施分析 在我司开发设计的CBT系列镇流器中，存在热插拔灯管时烧毁镇流器的现象。经分析原因如下： 在热插拔灯管时，主扼流电感与保护线圈之间的分布电容（耦合电容）与主扼流电感形成谐振。当原保护电路中保护线圈一端直接与直流母线地相联时，整个谐振回路阻尼系数小，而磁环与Bipolar配合的自激振荡开关频率远小于此谐振回路的谐振频率，使谐振回路工作在容性区域，Bipolar处于硬开关状态，开关损耗生成的热量积累使Bipolar烧毁。原保护电路如图1所示，其高频振荡回路如图2所示。 总部陈道升博士分析建议，R10上并联高频小电容C。当主回路工作时，不影响其保护特性；当热插拔灯管时，自激振荡频率远大于正常工作频率，R10上并联高频小电容C放大保护线圈中电流，增加电容C9的充电电流，从而使保护电路工作，关断整个自激振荡。保护电路如图3所示。 图1 原始保护电路 图2 高频振荡通路 图3 陈道升推荐改进措施 图4 改进措施1 陈道升博士推荐的改进措施在CBT-中试验很成功，但此方案在整个CBT系列及其它自激振荡机种中似乎很难广泛推广。受此建议的启发，能否采用阻断分布电容与主回路扼流电感振荡回路的方法来抑制热插拔灯管时烧毁镇流器的现象。为此出现图4的方案，在保护线圈与直流母线地之间串连一二极管D12A，希望通过二极管的单向导通特性来阻断高频振荡回路。经李晓文工程师试验，此试验结果证明热插拔时整个电路会保护。但影响正常工作状态，即正常工作时电容C9上电压上升，引起误保护。此方案不可取。 进一步改进措施是把半波整流二极管D12移到保护线圈与直流母线地之间。如图5所示。会出现与图4相类似的想象。此方案仍不可取。 图5 改进措施2 图6 改进措施3 采用二极管阻断高频振荡效果不理想，进一步改进采用阻容并联来增加高频振荡回路阻尼的方式，如图6所示，及单纯采用电阻增加高频振荡回路阻尼的方式。如图7所示。试验下来图7效果理想。重新调整保护电路参数，在不增加保护线圈的匝数情况下，调节R10的阻值。从而不影响正常工作状态，而在热插拔灯管时，多数情况是主回路停振，偶尔出现高频振荡，C9电压也会上升，从而保护电路起作用。不会导致镇流器烧毁。其高频振荡回路如图8所示。 图7 改进措施4 图8高频振荡通路 把保护电路改版成图7所示改进方案后，李晓文工程师在试验调试过程中，又发现保护线圈的绕向对保护特性有决定性的影响，即如图9、图10所示保护线圈与主扼流电感之间同名端不同时，图10会出现热插拔时保护电路不起保护作用的现象。为此引发我们深入思考图7所示改进方案的工作机理。 图9 同名端1 图10同名端2 结合整个线路示意图（图11所示）先对图9所示同名端情况进行分析。在分析过程中，首先作如下假设： (a). Bipolar饱和导通压降为0，续流二极管导通压降为0；(b). 磁环主线圈压降为0；(c). 忽略Bipolar发射极电阻压降；(d). 主扼流电感与保护线圈之间的耦合分布电容集总成一个等效电容Ccouple并联在主扼流电感于保护线圈一端；(d). 忽略其它元器件的寄生电容与寄生电感。图11 线路示意图 在稳态工作状态中（主回路工作在感性），主扼流电感电压电流如图12所示。各时间段分析情况如下： （a） T1T2 T1时刻，Q2关断，主扼流电感电流ITTA为反向，ITTA通过snubber电容C8向续流二极管D8转移，一直到T2时刻结束，D8导通。在此阶段，主扼流电感TTA电流为负向，感应电压在换流过程中迅速增加；主电路中B点对地电压uB0在T0时刻开始上升，则通过分布电容Ccouple的电流Icouple为正，那么反馈电阻R10电压uD0为正，开始对保护电路起负反馈作用（降低C9充电电流）。在此阶段主扼流电感电压uAB为正，保护线圈感应出电压通过R10、R14、D12给C9充电。（b） T2T3 T2时刻续流二极管D8彻底导通，直到T3时刻，D8截止，Q1导通。此阶段对保护电路的影响同T1T2阶段相似。（c） T3T4 Q1彻底导通，主扼流电感TTA与谐振电容C7A串连谐振，当达到谐振点T4时，主扼流电感电流最大，感应电压为0，uB0为母线电压。此阶段对保护电路的影响同T1T2阶段相似。（d） T4T5 主扼流电感TTA与谐振电容C7A继续谐振，主扼流电感电流ITTA逐渐减小，感应电压反向，保护线圈电压也反向，并被D12阻断通路，没有通路给C9充电；此阶段uB0高于母线电压，并且仍继续上升，通过分布电容Ccouple的电流Icouple为正，那么反馈电阻R10电压uD0仍为正。 （e） T5T6 T5时刻，Q1关断，主扼流电感电流ITTA通过snubber电容C8向续流二极管D7转移，一直到T6时刻结束，D7导通。在此阶段，主扼流电感ITTA仍为正向，并逐渐减小，感应电压在换流过程中迅速增加（反向）；此阶段uB0仍继续上升，反馈电阻R10电压uD0仍为正。C1-主扼流电感电压（uAB） C2-B点对地电压（uB0） C3-主扼流电感电流（ITTA）图12 主扼流电感电压电流波形图（f） T6T8 T6时刻续流二极管D7彻底导通，直到T8时刻，D7截止，Q2导通。此阶段对保护电路的影响同T1T2阶段相似。uB0在T7时刻开始下降，则通过分布电容Ccouple的电流Icouple为负，那么反馈电阻R10电压uD0为负，开始对保护电路起正反馈作用（增加C9充电电流）。但此阶段主扼流电感ITTA仍为正向，并逐渐减小，感应电压为负向，无通路给电容C9充电。（g） T8T9 Q2彻底导通，主扼流电感TTA与谐振电容C7A串连谐振，当达到谐振点T9时，主扼流电感电流反向最大，感应电压为0，uB0为0。此阶段对保护电路的影响同T7T8阶段相似。（h） T9T10 主扼流电感TTA与谐振电容C7A继续谐振，主扼流电感电流ITTA逐渐反向减小，感应电压正向，保护线圈电压也为正向，保护线圈感应出电压通过R10、R14、D12给C9充电；此阶段uB0小于0，并且反向增加，通过分布电容Ccouple的电流Icouple为负，那么反馈电阻R10电压uD0仍为负，对保护电路起正反馈作用（增加C9充电电流）。（i） T10T11 T10时刻，Q2关断，分析参见（a）。至此，一个完整周期内（主回路工作在感性），主扼流电感与保护线圈之间的分布电容（耦合电容）对保护电路的影响已经分析清楚。图13为实测CBT-218稳态工作时主扼流电感电压电流波形图。C1-主扼流电感电流（ITTA） C2-主扼流电感电压（uAB） C3-C9电压（uC9）C4- B点对地电压（uB0） 图13 实测CBT-218稳态工作时主扼流电感电压电流波形图（更改后） 总结上面分析得情况，可以得知主扼流电感线圈与保护线圈之间同名端如图9所示的情况：在T0T4阶段，反馈电阻R10对保护电路起负反馈作用（减少C9充电电流）；在T9T12阶段，反馈电阻R10对保护电路起正反馈作用（增加C9充电电流）；在其它阶段，由于二极管D12的单向导电性，反馈电阻失去反馈作用。 主扼流电感线圈与保护线圈之间同名端如图10所示的情况，可参照上面分析可以同理推得：在T4T7阶段，反馈电阻R10对保护电路起负反馈作用（减少C9充电电流）；在T7T9阶段，反馈电阻R10对保护电路起正反馈作用（增加C9充电电流）；在其它阶段，由于二极管D12的单向导电性，反馈电阻失去反馈作用。 当热插拔灯管时，主电路工作在容性，主扼流电感电压电流如图14所示。各时间段分析情况如下： （a） T1T2 主电路中B点对地电压uB0下降，则通过分布电容Ccouple的电流Icouple为负，那么反馈电阻R10电压uD0为负，对保护电路起正反馈作用（增加C9充电电流），同时主扼流电感感应电压为正，保护线圈感应出电压通过R10、R14、D12加速给C9充电。（b） T2T3 uB0在T2时刻开始上升，通过分布电容Ccouple的电流Icouple为正，那么反馈电阻R10电压uD0为正，开始对保护电路起负反馈作用（降低C9充电电流）。在此阶段主扼流电感电压uAB为正，保护线圈感应出电压通过R10、R14、D12给减速给C9充电。（c） T3T4 Ccouple仍起负反馈作用（降低C9充电电流），但主扼流电感电压为负，二极管D12阻断保护线圈向C9电容充电。（d） T4T5 uB0电压稳定，Ccouple不起反馈作用，保护线圈也不向C9电容充电。（e） T5T6 uB0下降，分布电容Ccouple对保护电路起正反馈作用（增加C9充电电流），而主扼流电感感应电压为负，二极管D12阻断保护线圈感应电压向C9充电。C1-主扼流电感电流（ITTA） C2-主扼流电感电压（uAB） C3-C9电压（uC9）C4- B点对地电压（uB0） 图14 实测CBT-218热插拔灯管时主扼流电感电压电流波形图（更改后） 按照上面分析，可以看出，在热插拔灯管时，利用主扼流电感与保护线圈之间的耦合分布电容Ccouple及反馈电阻R10的正反馈作用，增加C9的充电电流，从而使保护电路工作，使整个振荡电路停止工作。同时在T2T3阶段，分布电容Ccouple及反馈电阻R10起负反馈作用，降低C9的充电电流。但与图13稳态工作情况相比，正反馈作用在整个C9充电过程所占比重增加，从而使C9电压能够上升，使保护电路工作，使整个振荡电路停止工作。增强了自激振荡的可靠性。 在自激振荡电路中，始终困扰各位工程师的一个难题是空载起振问题。经过多位工程师的分析是灯管引线及接地外壳之间分布电容，导致整个电路空载起振，引线间分布电容及主扼流电感与保护线圈之间的分布电容都为主回路工作提供通路，而分布电容又远远小于谐振电容，使得磁环与Bipolar配合的自激振荡开关频率远小于此谐振回路的谐振频率，使谐振回路工作在容性区域，Bipolar处于硬开关状态，开关损耗生成的热量积累使Bipolar烧毁。在热插拔灯管时，利用主扼流电感与保护线圈之间的耦合分布电容Ccouple及反馈电阻R10的正反馈作用可以使保护电路保护，那么把这一结果引申到空载起振这一难题中，增加此正反馈环节（即增加耦合分布电容的容量，增加反馈电阻R10的阻值），增加C9的充电电流，从而使保护电路工作，达到保护自激振荡电子镇流器的目的。这