要文章介绍了采用IRS2453D全桥驱动功率变换电路HID灯电子镇流器电路的工作原理与电路结构，并对有关工作要求进行了介绍和分析。
关键词HID电子镇流器PFCBuck变换IRS2453D
１ＨＩＤ灯电子镇流器的工作特性与电路结构
目前，荧光灯用电子镇流器的数量已超过了电感镇流器的使用数量。同样，在ＨＩＤ灯用电子镇流器的市场上也出现了类似的趋势，ＨＩＤ灯具有输出亮度高的特点。
ＨＩＤ灯常用于零售店、重点照明、天花板照明和街灯照明等户外照明等应用场合。ＨＩＤ灯的新应用场合有如汽车前灯照明、会议室的前射灯和后射灯（例如ＤＬＰ ＴＶ的应用场合），在这些应用场合也常会用到ＨＩＤ灯电子镇流器。ＨＩＤ灯电子镇流器要求和ＨＩＤ灯的工作特性匹配，并且对控制方法有严格和特有的要求，ＨＩＤ灯电子镇流器应满足ＨＩＤ灯正常工作的基本要求，并应满足有关的安全要求，以确保ＨＩＤ灯电子镇流器和ＨＩＤ灯可靠工作。
人们常用的ＨＩＤ灯有金卤灯、汞灯和钠灯，它们具有发光效率高和输出亮度高的特点，金卤灯的发光效率为白炽灯的５倍，并且工作寿命至少是白炽灯的２０倍。对钠灯而言，钠灯的发光效率至少是荧光灯的２倍，ＨＩＤ灯也是利用气体放电的工作原理。
荧光灯是低压汞蒸汽气体放电灯，利用低压汞蒸汽气体放电产生的紫外线激发荧光灯灯管内表面涂敷的荧光粉而发出可见光。
而ＨＩＤ灯内为高气压，两个电极之间的距离短，ＨＩＤ灯气体放电直接发光，无需荧光粉的转换。ＨＩＤ灯的点火工作电压高，典型值为３~４ｋＶ，如果为热点火，则点火工作电压更高，一般典型值会大于２０ｋＶ.
在ＨＩＤ灯的预热工作期间需对ＨＩＤ灯的工作电流进行限制，而在ＨＩＤ灯的正常工作期间需对ＨＩＤ灯功率进行恒功率控制，以确保每只ＨＩＤ灯的发光颜色和亮度的一致。
同时，ＨＩＤ灯采用交流供电以避免汞迁移。ＨＩＤ灯一般工作于低于２００Ｈｚ的交流供电频率，以避免由于ＨＩＤ灯的声共振而导致ＨＩＤ灯爆炸或损坏。对７０Ｗ的金卤灯而言有如下的技术要求：灯工作预热时间为１~２min，冷启动点火电压标称电压为４０００Ｖ，ＨＩＤ灯的典型工作特性曲线如图１所示。从图１可以看出，ＨＩＤ灯在点火、预热和工作模式下工作特性明显不同。但是，这可以通过ＨＩＤ灯电子镇流器的有关检测电路加以检测和控制。
从图１可以看出，在ＨＩＤ灯点火前ＨＩＤ灯呈现高阻抗，呈开路工作状态，ＨＩＤ灯点火后，由于ＨＩＤ灯很低的灯阻抗，ＨＩＤ灯电压迅速从开路灯电压下降到一个非常低的约２０Ｖ左右的灯电压，如果不采取措施，ＨＩＤ灯的这种工作特性会使ＨＩＤ灯的工作电流迅速上升，导致ＨＩＤ灯损坏。所以，通过ＨＩＤ灯电子镇流器的控制作用应限制ＨＩＤ灯的工作电流至一个不超过安全工作的最大工作电流。随着ＨＩＤ灯的预热，ＨＩＤ灯工作电压和灯功率的上升，最终ＨＩＤ灯工作电压将上升至一个正常值，这个正常值一般为１００Ｖ，最终通过ＨＩＤ灯电子镇流器的控制作用使ＨＩＤ灯的灯功率达到一个正常值。为满足ＨＩＤ灯的正常工作要求和不同工作模式的要求，应采用适当的ＨＩＤ灯电子镇流器电路拓扑结构，以便为ＨＩＤ灯提供适当的交流工作电压，以及点火ＨＩＤ灯和稳定ＨＩＤ灯工作功率。一个典型的ＨＩＤ灯用电子镇流器应具备以下几个基本功能电路，它们是用于阻断ＨＩＤ灯电子镇流器产生干扰的ＥＭＩ滤波器、交流输入市电的全波整流器、有源功率因数校正电路、用于控制ＨＩＤ灯工作电流的Ｂｕｃｋ变换器、用于为ＨＩＤ灯提供驱动功率的全桥功率变换电路、有关控制电路和ＨＩＤ灯电子镇流器的有关故障保护电路，用于在ＨＩＤ灯负载发生故障或ＨＩＤ灯电子镇流器发生故障时提供保护控制。ＨＩＤ灯电子镇流器的典型工作原理框图如图２所示，在图２中全桥变换电路采用了ＩＲＳ２４５３Ｄ做全桥驱动控制。
２ＨＩＤ灯电子镇流器的工作原理
通过Ｂｕｃｋ变换级控制在ＨＩＤ灯预热和工作期间加到ＨＩＤ灯负载的工作电流，当ＨＩＤ灯完成点火后，ＨＩＤ灯阻抗迅速下降，通过ＨＩＤ灯的电流迅速上升，通过Ｂｕｃｋ控制器的控制作用使适当的电流通过ＨＩＤ灯，使ＨＩＤ灯免于熄火。但是，需要注意的是在ＨＩＤ灯预热期间应不使Ｂｕｃｋ电感磁饱和。
在ＨＩＤ灯正常工作期间，通过控制Ｂｕｃｋ变换器的导通时间使ＨＩＤ灯功率恒定，当Ｂｕｃｋ开关Ｍ２导通时通过Ｂｕｃｋ电感为ＨＩＤ灯负载供电。在Ｂｕｃｋ开关Ｍ２导通期间，流过Ｂｕｃｋ电感为ＨＩＤ灯负载供电的电流线性上升。Ｂｕｃｋ开关Ｍ２导通结束时，Ｂｕｃｋ开关Ｍ２关断，通过Ｂｕｃｋ二极管（ＤＢＵＣＫ）和Ｂｕｃｋ电感继续为ＨＩＤ灯负载供电，这时通过Ｂｕｃｋ电感的电流线性下降，通过调节通过Ｂｕｃｋ开关Ｍ２的导通时间可以控制加到ＨＩＤ灯负载的电流大小，从而实现对ＨＩＤ灯功率的控制，通过Ｂｕｃｋ电感的电流线性下降至零的时间决定Ｂｕｃｋ开关Ｍ２的关断时间。利用一个标准的ＰＷＭ电路可以控制Ｂｕｃｋ变换级的工作，通过一个高电压电平转移电路（例如ＩＲ２１１７）可以实现Ｂｕｃｋ变换级栅极驱动信号电平的匹配。ＨＩＤ灯驱动电路输出级电路包含一个输出低频方波交流电压的全桥功率输出电路和ＨＩＤ灯点火电路。在ＨＩＤ灯点火期间，ＨＩＤ灯负载呈现高阻抗，Ｂｕｃｋ变换级的输出电压被限制为一个最大限定值，ＨＩＤ灯点火电路由双向二极管（ＤＩＧＮ）、变压器（ＴＩＧＮ）、电容器（ＣＩＧＮ）、电阻（ＲＩＧＮ）和开关（ＭＩＧＮ）等元器件组成。当ＨＩＤ灯点火控制器接通开关（ＭＩＧＮ）时，电容器（ＣＩＧＮ）通过电阻（ＲＩＧＮ）放电，当加到双向二极管（ＤＩＧＮ）的电压达到双向二极管（ＤＩＧＮ）的阈值电压时（如图４所示），双向二极管（ＤＩＧＮ）导通，Ｂｕｃｋ变换器的输出有电流脉冲流出，电流通过ＨＩＤ灯点火变压器（ＴＩＧＮ）的初级绕组流进电容器（ＣＩＧＮ）。通过ＨＩＤ灯电子镇流器的控制作用应使ＨＩＤ灯适应它正常工作过程中所需的各种工作模式（如点火、预热和正常工作模式），并确保有关功率变换电路（如ＰＦＣ、Ｂｕｃｋ和全桥变换电路）处于高工作效率的工作，确保ＨＩＤ灯电子镇流器整体电路的高工作效率。
３ＰＦＣ电路
图３是通过ＰＦＣ电路的控制作用，正弦峰值电流包络（图３为波形的实线波形）是通过ＰＦＣ电感的三角波电流包络，在整个半周期正弦波交流输入电压期间通过ＰＦＣ电感的平滑作用，使交流输入电流为图３中虚线所示的正弦电流波形，从而实现有源功率因数校正，使交流市电输入电路的功率因数接近１（０．９９或更高）。
ＰＦＣ级工作于临界导通的变频升电压输出工作模式。对１００Ｗ以下的ＨＩＤ灯电子镇流器而言常用这种电路拓扑结构，升电压输出工作模式的ＰＦＣ电路输出直流电压一般为４００Ｖ，通过ＰＦＣ电路的控制作用可以使电路工作于低总谐波失真（ＴＨＤ）和高功率因数。当ＰＦＣ功率开关管（图２中的功率开关管Ｍ１）导通时，通过ＰＦＣ升电压输出电感（ＬＢＯＯＳＴ）的电流线性上升至峰值电流，然后ＰＦＣ功率开关管Ｍ１关断，使通过ＰＦＣ升电压输出电感（ＬＢＯＯＳＴ）的电流线性下降至０。然后，ＰＦＣ功率开关管Ｍ１周而复始的导通或关断，对给定负载功率条件下为保持ＰＦＣ升电压输出直流电压恒定通过ＰＦＣ升电压输出电感的电流大小和ＰＦＣ功率开关管Ｍ１的导通时间有关。由于ＰＦＣ电路的直流输入电压为半正弦，这样通过ＰＦＣ电感的电流在每个开关周期为三角波，三角波电流峰值的包络为图３中的正弦波。ＰＦＣ功率开关管Ｍ１的导通时间近似为固定值，而关断时间和每个开关周期的峰值电流大小有关，所以在这种工作模式下的ＰＦＣ电路为变频工作模式。通过ＰＦＣ的ＥＭＩ滤波器平滑作用使输入的交流电流波形为和交流输入电压同频同相位的正弦波，从而完成功率因数校正控制功能。
４ ＨＩＤ灯电子镇流器的点火
从图４中的ＨＩＤ灯点火过程控制波形图可以看出，一旦ＨＩＤ灯电子镇流器电路检测到ＨＩＤ灯完成点火工作，ＨＩＤ灯电子镇流器就停止输出点火高电压脉冲。电容ＣＩＧＮ充电直至双向可控硅ｄｉａｃ关断，然后电容ＣＩＧＮ通过电阻ＲＩＧＮ放电，直至达到双向可控硅ｄｉａｃ的关断阈值电压，另一个新的点火脉冲又重新开始。一旦ＨＩＤ灯完成点火工作，Ｂｕｃｋ变换器的输出电压迅速降低至ＨＩＤ灯的工作电压，开始为ＨＩＤ灯的正常工作提供所需的工作电流，并且通过关断开关管ＭＩＧＮ的工作，点火控制电路中断ＨＩＤ灯点火脉冲高电压的输出。该电路采用高电压ＩＲＳ２４５３Ｄ全桥控制电路做为ＨＩＤ灯的驱动控制器。在ＩＲＳ２４５３Ｄ内部含有锁定和非锁定关断控制引脚，并在ＩＲＳ２４５３Ｄ内部集成了用于高端驱动器供电的自举升电压二极管。
图５为ＣＴ定时振荡器引脚、栅极驱动器输出引脚、中点和ＨＩＤ灯电压的波形。在高电压ＩＲＳ２４５３Ｄ全桥控制器内部还含有高（ＨＯ）低（ＬＯ）端栅极驱动输出之间１．５－μｓ的死时间控制，通过死时间控制可以避免全桥功率开关管的共态导通问题。
从图５中的电路可以看出，在ＩＲＳ２４５３Ｄ内部为ＨＩＤ灯电子镇流器电路设定了死时间控制，确保可靠驱动ＨＩＤ灯和确保全桥功率输出电路可靠工作。
５ ＨＩＤ灯电子镇流器电路保护要求
ＨＩＤ灯电子镇流器需添加有关的保护电路，使ＨＩＤ灯电子镇流器可以可靠地检测ＨＩＤ灯负载电路和ＨＩＤ灯电子镇流器电路的有关故障，以确保ＨＩＤ灯电子镇流器可靠工作。这些故障有交流输入市电供电中断、交流输入市电供电电压过低、ＨＩＤ灯负载不能正常点火、ＨＩＤ灯预热不正常、ＨＩＤ灯负载开路、ＨＩＤ灯负载短路和ＨＩＤ灯负载寿命中止等。利用ＨＩＤ灯电子镇流器各级电路中的有关电流和电压点的检测可以实现有关故障保护功能。
如果ＨＩＤ灯电子镇流器在预定的时间内没能正常完成ＨＩＤ灯的预热或点火，则应关断电子镇流器的工作，如果ＨＩＤ灯工作时灯功率不稳定或ＨＩＤ灯到达了工作中止寿命，这些故障可以通过对ＨＩＤ灯的工作灯电压和灯功率检测实现判定。在实际应用中，无论故障检测通过什么方式实现，故障检测和保护电路都应可靠、稳定的工作。ＨＩＤ灯电子镇流器和ＨＩＤ灯负载的有关故障现象和保护如表１所示。
６ ＩＲＳ２４５３Ｄ的特点与应用
ＩＲＳ２４５３Ｄ是一款基于ＩＲ２１５３自激振荡半桥栅极驱动器推出的高电压全桥驱动芯片，内含与工业标准ＣＭＯＳ ５５５定时器类似的前端振荡器。具有抗干扰工作能力和输出驱动能力强的特点，由于栅极驱动器的低ｄｉ/ｄｔ峰值，所以ＩＲＳ２４５３Ｄ的抗躁声信号能力也很强，并且ＩＲＳ２４５３Ｄ内含回滞电压为１．５Ｖ的欠电压锁定输出电路，同时还有锁定和非锁定关断引脚。
ＩＲＳ２４５３Ｄ的引脚外形图如图６所示，ＩＲＳ２４５３Ｄ的引脚图如图７所示，ＩＲＳ２４５３Ｄ的内部工作原理框图如图８所示，ＩＲＳ２４５３Ｄ的主要性能指标如表２所示，ＩＲＳ２４５３Ｄ的引脚功能如表３所示，ＩＲＳ２４５３Ｄ的典型应用电路原理图如图９所示。
（１）ＩＲＳ２４５３Ｄ的特点
１）内部集成６００Ｖ全桥栅极驱动电路；
２）振荡频率的ＣＴ、ＲＴ可编程振荡器；
３）ＶＣＣ引脚内接１５．６Ｖ稳压二极管；
４）微功率启动；
５）逻辑电平锁定关断引脚；
６）ＣＴ引脚非锁定关断（１/６ＶＣＣ）；
７）内含自举升电压ＦＥＴ；
８）所有引脚均具有良好的抗干扰性和ＥＳＤ保护功能；
９）１４引脚ＳＯＩＣ/ＰＤＩＰ封装；
１０）０．５/１．０μｓ（典型值）的内部死时间；
１１）满足ＲｏＨＳ指令要求。
（２）ＩＲＳ２４５３Ｄ功能简介
１）欠电压锁定输出工作模式（ＵＶＬＯ）
欠电压锁定输出工作模式（ＵＶＬＯ）的定义是当ＶＣＣ引脚的电压低于ＩＲＳ２４５３Ｄ的导通阈值电压时的工作模式，在欠电压锁定输出工作模式下，ＩＲＳ２４５３Ｄ处于低于１５０μＡ的极低工作电流状态，并可以确保在高、低端输出驱动器被激励时集成电路的全部功能均能正常工作。在欠电压锁定输出工作模式下，ＩＲＳ２４５３Ｄ的高低端驱动输出均为低电位，当ＩＲＳ２４５３Ｄ的ＶＣＣ引脚供电电压高于ＶＣＣＵＶ＋阈值电压时，ＩＲＳ２４５３Ｄ导通，并开始有输出振荡信号。
２）正常工作模式
一旦ＩＲＳ２４５３Ｄ的ＶＣＣ引脚供电电压高于ＶＣＣＵＶ＋阈值电压时，电容ＣＴ开始充电，一旦电容ＣＴ上的电压达到ＶＣＴ－（大约１/３ ＶＣＣ）时，经过一个死时间（ｔｄ）的延迟后ＬＯ１和ＨＯ２导通，一旦电容ＣＴ上的电压达到ＶＣＴ＋（大约２/３ＶＣＣ）时，ＬＯ１和ＨＯ２变为低电位，电容ＣＴ开始放电，死时间控制电路开始工作，在死时间结束时刻，ＬＯ２和ＨＯ１变高电位，一旦电容ＣＴ上的电压达到ＶＣＴ－，ＬＯ２和ＨＯ１变低电位，死时间控制电路又开始工作。在死时间结束期间，ＬＯ１和ＨＯ２变为高电位，如此周而复始产生振荡输出信号。振荡频率可以很好地利用在ＣＴ取不同值时推算（见图10），振荡频率的一级近似可以利用下式计算。由于内部比较器过冲和欠冲的原因，计算出的振荡频率值可能和实际振荡频率值有所差别。
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３）自举升电压ＭＯＳＦＥＴ管
ＩＲＳ２４５３Ｄ内部的自举升电压ＭＯＳＦＥＴ管和电容（ＣＢＯＯＴ）组成高端驱动器电路的供电回路，当ＬＯ为高电位时，ＩＲＳ２４５３Ｄ内部的自举升电压ＭＯＳＦＥＴ管导通，为确保ＨＯ１和ＨＯ２出现的第一个高电平脉冲时供电稳定，电容（ＣＢＯＯＴ）应充足电，当电容（ＣＢＯＯＴ）两端的电压在０~１/３ＶＣＣ之间变化时，ＬＯ１和ＬＯ２均导通。当电容ＣＴ上的电压低于１/６ＶＣＣ时，ＬＯ１和ＬＯ２也均导通，以确保当ＣＴ上的电压高于１/３ＶＣＣ时自举升电压电容被充足电。
４）非锁定关断
如果电容ＣＴ上的电压通过外部电路放电低于ＶＣＴＳＤ（大约为１/６ＶＣＣ），电容ＣＴ不再充电，振荡将被中止，所有的驱动输出信号为低电位，并且自举升电压ＭＯＳＦＥＴ管关断，一旦电容ＣＴ上的电压又被充至ＶＣＴ－，电路又恢复振荡。
５）锁定关断
当ＳＤ引脚电位高于２Ｖ时，ＩＲＳ２４５３Ｄ开始进入故障工作模式，ＩＲＳ２４５３Ｄ的所有驱动输出信号为低电位，ＶＣＣ需再被循环低于ＶＣＣＵＶ－以便再启动ＩＲＳ２４５３Ｄ，ＳＤ引脚可以通过外电路用于过电流或过电压保护控制。 &
