IGBT在照相机闪光灯电路中的应用

半导体

1、引言
绝缘栅双极晶体管（IGBT）是兼备双极型晶体管大电流密度、低饱和压降和MOSFET等场控型器件高速开关、微功率驱动二者优点于一身的新型功率半导体器件。IGBT于20世纪80年代初问世，在90年代获得长足发展和广泛应用。这种功率半导体器件在问世之后的相当长的时间内，一直扮演着电力电子器件的重要角色。像MV系列高压IGBT变频器，IGBT的电流容量/耐压达600A～1200A/3300V～6500V。由于早期IGBT的开关频率比较低，限制了其应用范围。
　　20世纪90年代中期后，由于工艺上的不断创新，IGBT的开关频率提高到150kHz以上，其拖尾电流得到控制，关断时的开关损耗显著降低，故在开关电源（SMPS）中开始应用，对功率MOSFET构成一定威胁。
　　最近几年，IGBT又进入消费类电子产品和家用电器，例如变频空调（驱动模块用6只15A～50A/600V的IGBT、荧光灯交流电子镇流器、感应加热（IH）电饭锅、IH灶和微波炉等。在IH电饭锅电源系统的半桥逆变器中，需要使用两只600V/40A～160A的IGBT。在照相机（摄影机）闪光灯系统中，IGBT也大显身手。
2、照相机闪光灯电路
　　便携式照相机（摄影机）闪光灯用于在相对暗淡的区域闪光照明以进行摄影。传统的闪光灯系统采用可控硅（SCR）控制，控制电路如图1所示。其工作原理大致为：当控制SCR导通时，在升压型脉冲变压器次级边产生3kV～5kV的高压脉冲，使氙管内部混合气体电离而闪光。这种控制方法虽易获得高强度发光度，但系统效率低，获得防“红眼”（Redeye）功能比较困难。采用IGBT控制方法，除发光度不及SCR控制效果外，其它方面都明显优于SCR控制方法。
2.1采用IGBT的闪光灯控制电路的基本结构
便携式照相机一般使用3V或6V的电池作为电源，并且日趋采用3V的电池。为使IGBT的栅极驱动电压达到其门限电压以上，需要将3V的电池电压提升到5V以上。同时，为使频闪放电管（氙管）内部混合气体电离，需提供约300V的DC高压，以能够产生3kV～5kV的触发脉冲。通常情况下，照相机闪光灯电路的组成框图如图2所示。
2.2采用微控制器（μCOM）的频闪控制电路
　　照相机频闪放电管控制系统的DC-DC升压电路可以采用不同的类型，其中之一是使用μ-COM。利用μ-COM的闪光灯控制系统如图3所示，μ-COM内置100kHz～150kHz的PWM控制器，高压（H/V）振荡器（OSC）产生的脉冲施加到升压变压器ti初级开关MOSFET（Q1），在T1次级产生的高压脉冲经二极管D1整流和电容器C1滤波，产生约300V的DC电压。μ-COM输出触发脉冲，通过Q4和Q5组成的缓冲级来驱动Q6（IGBT）导通。在IGBT导通时，在脉冲变压器（PIT）次级产生4kV～5kV的触发信号使氙灯击穿而闪光。与此同时，μ-COM输出高压控制信号施加到Q3基极，使Q3和Q2都导通，氖灯亮。R2和R3电阻分压器将高压分压取样后馈送至μ-COM，进行高压检测。
2.3采用时基电路KA555（NC555）的闪光灯电路
IC1（KA555）、Q1、T1、D1和C4等组成DCDC升压变换器，其作用是将6V电池电压提升至约300V的DC电压。升压变换器的开关频率fSW=100kHz，它由IC1VCC脚与脚7之间的电阻器R1、脚7与脚6（2）之间的电阻器R2和脚2与地之间的电容器C1的取值设定。PWM占空比是0.45，开关接通时间为RV1/4.5μs，关断时间是5.5μs，升压变压器的初、次级匝数分别为6匝和346匝。
　　电阻器R1与RV1、IC3（KA7545）和Q2等组成高压检测电路。当检测电压VDET<45V时，IC3输出低电平；当VDET≥45V时，IC3输出高电平，使晶体管Q2导通，IC1复位脚（脚4）上的电位被拉低，IC1停止工作。
　　当按下按钮开关SW1时，Q3导通，通过IC2（KA55）的脚2，触发IC2工作于单稳压模式，在脚3输出驱动脉冲至Q4和Q5缓冲级的基极。脚3输出脉冲（即氙灯发光时间）由IC2的脚6（7）外部电阻器R12、R2和电容器C8决定。
因此，氙灯发光时间可通过可调电阻器RV2来调节。晶体管Q4与Q5组成的缓冲级电路，用作弥补IGBT栅极驱动能力万一不足而设置。逻辑电平IGBT（Q6），要求控制电路提供100mA以上的驱动电流。IGBT的电压和电流及氙（Xe）管触发信号波形如图4所示。4kV～5kV的触发脉冲由脉冲变压器（P/T）产生。脉冲变压器升压比n和输入电压VIN（≈300V）共同决定触发电压（Vtrig=nVIN）。若触发脉冲电压过低，氙灯不会燃点闪光；如果触发脉冲过高，氙灯电极能够放电或损坏相关部件。在选择氙管时，其能量容量应控制在20W·s以下。
3、闪光灯电路用IGBT
　　照相机闪光灯电路需要把3V～6V的电池电压提升到250V～300V，所以IGBT的额定电压BVCES为400V即可满足要求。闪光灯电路中的IGBT在短时间内导可通过100A左右的大电流，故要求器件的额定电流IC（TC=100℃）达130A。符合这种基本条件的IGBT有很多型号可以选择，表1列出部分器件的主要参数与封装。
表1 照相机闪光灯系统用的IGBT
文章来源：技术宅拯救世界