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、啟動電容等元件的參數(shù),，正確地安排三極管的驅(qū)動電路,，以降低它的功耗與熱量，提高整燈的可靠性,。遺憾地是過去受觀測儀器（如示波器）和測試手段的局限,，我們無法觀測到電路中關(guān)鍵點(diǎn)如三極管各個電極電流的正確波形（如文獻(xiàn)4的電流iB、ic的起始波形就是錯誤的）,，因而無法作出符合實(shí)際情況的定量分析和判斷,，以至形成一些錯誤的概念。最近看到深愛公司葉文浩先生發(fā)表在中國照明電器（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,，對電路關(guān)鍵點(diǎn)的電流和電壓波形,，進(jìn)行了仔細(xì)的測試，感到認(rèn)識上有所提高,，澄清了過去不少胡塗概念,，特撰寫本文，拋磚引玉,，與葉先生商榷,，并就教于國內(nèi)方家。

首先討論半橋逆變電路的工原理,，盡管這個電路是眾所周知的,，但人們對它的理解卻并不十分正確，存在一些錯誤觀念,。因此,，本文擬對它作較為仔細(xì)的探討。討論時以圖1所示的基本電路作為討論的出發(fā)點(diǎn),，后面所引用的元件名稱及符號,，均按圖1所給出的為準(zhǔn)。為支持和驗(yàn)證所提出的觀點(diǎn),，文中給出了許多用示波器實(shí)際觀測到的波形,。

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,，都會由于iB2的出現(xiàn)而產(chǎn)生VT2的集電極電流ic2，通過磁環(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)來確定。

在三極管開始導(dǎo)通的一段時間內(nèi),，ic2增加,，通過磁環(huán)變壓器繞組間的正反饋使磁環(huán)繞組N2上的感應(yīng)電動勢增加，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是流過磁環(huán)變壓器次級繞組N2的電流,。在磁環(huán)未飽和時，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開始隨流過它的勵磁電流（這里就是集電極電流ic2或流過電感的電流）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時為最大。一般在半橋逆變電路中,，在i較小時,，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)一個峰值（如圖2a中的直線所示）,，同樣vB2、iB2也出現(xiàn)一個峰值（如圖2b,、 2c的直線所示,，它們和vN2出現(xiàn)峰值對應(yīng)于同一時刻）。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)中存儲了大量的少數(shù)載流子，沒有通過集電結(jié)被及時拉走,，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)峰值的時刻較晚,，管子導(dǎo)通時間就會拉長,；反之，管子導(dǎo)通時間會縮短,。所以,，從某種程度上,，磁環(huán)繞組上電壓出現(xiàn)峰值的時刻早晚（與磁環(huán)的材料性質(zhì)、尺寸有關(guān)）,，會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，磁環(huán)甚至可能飽和,，磁導(dǎo)率μ會很?。┮约癲i/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),，所用的時間即為管子的存儲時間ts（通常我們定義從iB2變負(fù)開始起、到管子由飽和退出變?yōu)榉糯鬆顟B(tài)所用的時間稱為管子的存儲時間,，它和管子參數(shù)及其激勵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,，就會通過磁環(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)榻刂埂＿@時,，我們在示波器上看到ic2波形后沿中有一個向下的跳變,，變化很快，所用的時間是很短的（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會在其峰值附近出現(xiàn)一個向下的凹陷,，凹陷的開始點(diǎn)同基極負(fù)電流的開始點(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,，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^程，并不像過去普遍所認(rèn)為的那樣,，靠磁環(huán)飽和使各繞組感應(yīng)電動勢變?yōu)榱阍斐傻?；而是由于在管子飽和后的某一時刻，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?/p>

實(shí)際上,，磁環(huán)是否飽和并不是半橋逆變電路中兩個管子轉(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)動是由繞在電感的兩個副繞組產(chǎn)生的。顯然,，工作時電感是不能飽和的，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)通時間的長短與以下因素有關(guān)：磁環(huán)感應(yīng)電動勢到達(dá)其峰值時間的早晚（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）,、管子基極驅(qū)動電流iB的大小即管子飽和的深淺,、管子開關(guān)參數(shù)中存儲時間ts的長短，以及外電路元件參數(shù)等諸多因素有關(guān),。

一般說來,，磁環(huán)的厚度愈厚，則磁環(huán)感應(yīng)電動勢到達(dá)其峰值時間愈晚,；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)動愈厲害,，飽和程度愈深,，而其退出飽和所用的時間也愈

3長,，這時，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)電動勢到達(dá)其峰值的時間提前，電路的工作頻率將變高,。電感L2的 數(shù)值越大,，流過它的電流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電容對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^程中，管子處于放大區(qū),，iC2會逐漸減小,。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,，而延遲一段時間,，如同圖2a中iB2比vN2延遲一段時間是一樣的。為何延遲一段時間,，我們在后面討論續(xù)流電容C4的作用時會看到,，它是由于電容C4充電（或放電）的持續(xù)時間所造成的。

在vBE1變?yōu)樽銐蛘龝r,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）的時間內(nèi),，三極管VT1可以看作兩個背靠背連接的PN結(jié)，在CE之間兩個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怠５捎贐E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,，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,，vCE≈0）。由此可見,，在三極管VTI導(dǎo)通的全過程中,，CE之間的壓降是很小的，管子可視為短路,，而不問其電流為正或負(fù),。

在三極管VT1導(dǎo)通時，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,，僅在時間上相差半個周期而已,。

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)換過程是這樣的：在VT1截止、VT2導(dǎo)通時,，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,、在極其短暫的時間內(nèi)，使VT2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?、VT1由截止變?yōu)閷?dǎo)通,，并在大約半個周期的時間內(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,、在極其短暫的時間內(nèi)使之由導(dǎo)通變?yōu)榻刂梗⒃诖蠹s半個周期內(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，在半橋逆變電路的一個開關(guān)周期的大部分時間內(nèi),，總是處于一個管子截止,，另一個管子飽和導(dǎo)通的狀態(tài)。只有在由飽和轉(zhuǎn)換為截止的短暫時間內(nèi),，管子才處于放大狀態(tài),，它在一個開關(guān)周期中，在時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,，把兩個三極管分別看作短路或開路，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)值時把它看作是兩個背靠背連接的PN結(jié)，在CE之間,，兩個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，vCE基本上等于零（圖3）,。三極管可以看作短路,，基極失去對集電極電流的控制作用，僅由外電路的參數(shù)來控制集電極電流的大小,。

有的學(xué)者把半橋逆變電路當(dāng)作功率放大器來分析,，并把后面的LC網(wǎng)絡(luò)當(dāng)作阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)來看待，顯然與實(shí)際情況相悖,，文章作者所舉的計算實(shí)例,，令人感到有點(diǎn)生拼硬湊、牽強(qiáng)附會,，根本無法從大多數(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,兩個管子的導(dǎo)通時間均小于半個周期,在兩個管子的電流之間存在一段死區(qū)時間,這是為避免兩個管子同時導(dǎo)通而燒毀所必需的,。但是,，在外電路中流過燈管的電流又必須是連續(xù)的交變電流，如何采取措施來解決這個矛盾呢,？人們巧妙地利用電容電流可以突變的特性,，通過圖1中電容C4的續(xù)流作用，產(chǎn)生正負(fù)相間的脈沖,來填充電流ic1,、ic2波形之間的缺口,保證流過燈管的電流是連續(xù)的,。

下面我們就來分階段討論C4的作用：

3．1 當(dāng)VT1截止、VT2導(dǎo)通時

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

由于VT2電流減小，電感L2上的感應(yīng)電動勢的極性為左正右負(fù),，電容C4將與電感L2串聯(lián)對C7充電,，而C4本身放電，此時電流流通路徑如圖4b所示,。放電電流ic4的方向由下而上流,，它接過VT2截止時ic2的向下跳變，維持流過燈管的電流,，但一旦VT1導(dǎo)通時，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)榱恪,？梢奀4的放電電流是一個脈沖波,，它的前沿幅度等于VT2截止時ic2的向下的跳變值，而其后沿幅度等于VT1開始導(dǎo)通時ic1的向下的跳變值,。ic4流經(jīng)燈管電流的方向與下管VT2流過燈管電流的方向是一致的,，它對 電流ic2的正半周是一個接續(xù)和補(bǔ)充，從而補(bǔ)足了電流ic1,、ic2波形之間的缺口,，保證流過燈管的電流是連續(xù)的。在ic2出現(xiàn)向下跳變時,，vN1,、 vBE1有向上跳變，但只有C4的續(xù)流電流ic4跳變?yōu)榱銜r,，才有基極電流ib1及集電極電流ic1,，所以ib比 vN1延遲一段時間，它恰好等于電流ic4的脈沖寬度,。

3．3 當(dāng)VT1導(dǎo)通時

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,，僅在時間上相差半個周期,。這時，由于VT1導(dǎo)通并飽和,，C4上電壓為零,，不存儲有電荷。

3．4 當(dāng)VT1已截止,、而VT2尚未導(dǎo)通時

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開始導(dǎo)通時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，使流過燈管的電流是一個連續(xù)的接近正弦或按指數(shù)軌律變化的曲線,。在圖4e中那個正負(fù)相間的脈沖,，就是由C4提供的，它恰好填補(bǔ)了兩個集電極電流缺口,。

綜合以上三節(jié)討論,，我們可以作出以下結(jié)論：

A．在一個開關(guān)周期中，三極管VT1,、VT2 的基本上可以看作是工作于開關(guān)狀態(tài),，或是飽和導(dǎo)通，或是截止關(guān)斷,，并非處于C類放大狀態(tài),，只有在由飽和導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止的短暫時間內(nèi)才處于放大狀態(tài)。

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

C．兩個三極管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化為圖5的形式,。圖中，A,、B分別為兩個半橋中點(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,，這里為簡化計，以R表示之,；L為扼流電感,，即圖1中的L2；C為啟動電容（有的文章把C7作為諧振電路的一部分來分析,，顯然是錯誤的）,，即圖1中的C6。