功率穩(wěn)壓逆變電源的設計與應用

目前國內(nèi)大多數(shù)采用的長延時熱脫扣試驗方案是通過變壓器直接對斷路器施加一個電壓以獲得測試電流。在測試過程中，由于電網(wǎng)電壓的波動、載流電路中引線電阻變化、負載本身電阻發(fā)熱變化，使測試電流隨之變動，難以滿足國家標準的要求。本文介紹了一種功率穩(wěn)壓逆變電源，具有工作穩(wěn)定可靠、輸入功率因數(shù)高、輸出精度高、波形失真度小、效率高的優(yōu)點。

標稱功率300W的逆變電源，用于家庭電風扇、電視機，以及日常照明等是不成問題的。300W逆變器，利用12V/60AH蓄電池向上述家用電器供電，一次充滿電后，可使用近5小時。不過，即使蓄電池電壓充足，啟動180立升的電冰箱仍有困難，因啟動瞬間輸出電壓下降為不足180V而失敗。電冰箱壓縮機標稱功率多為100W左右，實際啟動瞬間電流可達2A以上，若欲使啟動瞬間降壓不十分明顯，必須將輸出功率提高至600VA.如在增大輸出功率的同時，采用PWM穩(wěn)壓系統(tǒng)，可使啟動瞬間降壓幅度明顯減小。無論電風扇還是電冰箱，應用逆變電源供電時，均應在逆變器輸出端增設圖1中的LC濾波器，以改善波形，避免脈沖上升沿尖峰擊穿電機繞組。

圖1

采用雙極型開關管的逆變器，基極驅(qū)動電流基本上為開關電流的1/β，因此大電流開關電路必須采用多級放大，不僅使電路復雜化，可靠性也變差而且隨著輸出功率的增大，開關管驅(qū)動電流需大于集電極電流的1/β，致使普通驅(qū)動IC無法直接驅(qū)動。雖說采用多級放大可以達到目的，但是波形失真卻明顯增大，從而導致開關管的導通/截止損耗也增大。目前解決大功率逆變電源及UPS的驅(qū)動方案，大多采用MOS FET管作開關器件。

MOSFET管的應用

近年來，金屬氧化物絕緣柵場效應管的制造工藝飛速發(fā)展，使之漏源極耐壓（VDS）達kV以上，漏源極電流（IDS）達50A已不足為奇，因而被廣泛用于高頻功率放大和開關電路中。

除此而外，還有雙極性三極管與MOS FET管的混合產(chǎn)品，即所謂IGBT絕緣柵雙極晶體管。顧名思義，它屬MOS FET管作為前級、雙極性三極管作為輸出的組合器件。因此，IGBT既有絕緣柵場效應管的電壓驅(qū)動特性，又有雙極性三極管飽合壓降小和耐壓高的輸出特性，其關斷時間達到0.4μs以下，VCEO達到1.8kV，ICM達到100A的水平，目前常用于電機變頻調(diào)速、大功率逆變器和開關電源等電路中。

一般中功率開關電源逆變器常用MOS FET管的并聯(lián)推挽電路。MOS FET管漏-源極間導通電阻，具有電阻的均流特性，并聯(lián)應用時不必外加均流電阻，漏源極直接并聯(lián)應用即可。而柵源極并聯(lián)應用，則每只MOS FET管必須采用單獨的柵極隔離電阻，避免各開關管柵極電容并聯(lián)形成總電容增大，導致充電電流增大，使驅(qū)動電壓的建立過程被延緩，開關管導通損耗增大。

MOSFET的驅(qū)動

近年來，隨著MOSFET生產(chǎn)工藝的改進，各種開關電源、變換器都廣泛采用MOS FET管作為高頻高壓開關電路，但是，專用于驅(qū)動MOS FET管的集成電路國內(nèi)極少見。驅(qū)動MOSFET管的要求是，低輸出阻抗，內(nèi)設灌電流驅(qū)動電路。所以，普通用于雙極型開關管的驅(qū)動IC不能直接用于驅(qū)動場效應管。

目前就世界范圍來說，可直接驅(qū)動MOSFET管的IC品種仍不多，單端驅(qū)動器常用的是UC3842系列，而用于推挽電路雙端驅(qū)動器有SG3525A（驅(qū)動N溝道場效應管）、SG3527A（驅(qū)動P溝道場效應管）和SG3526N（驅(qū)動N溝道場效應管）。然而在開關電源快速發(fā)展的近40年中，畢竟有了一大批優(yōu)秀的、功能完善的雙端輸出驅(qū)動IC.同時隨著MOSFET管應用普及，又開發(fā)了不少新電路，可將其用于驅(qū)動MOSFET管，解決MOSFET的驅(qū)動無非包括兩個內(nèi)容：一是降低驅(qū)動IC的輸出阻抗；二是增設MOSFET管的灌電流通路。為此，不妨回顧SG3525A、SG3527A、SG3526N以及單端驅(qū)動器UC3842系列的驅(qū)動級。

圖2

圖2a為上述IC的驅(qū)動輸出電路（以其中一路輸出為例）。振蕩器的輸出脈沖經(jīng)或非門，將脈沖上升沿和下降沿輸出兩路時序不同的驅(qū)動脈沖。在脈沖正程期間，Q1導通，Q2截止，Q1發(fā)射極輸出的正向脈沖，向開關管柵極電容充電，使漏-源極很快達到導通閾值。當正程脈沖過后，若開關管柵-源極間充電電荷不能快速放完，將使漏源極驅(qū)動脈沖不能立即截止。為此，Q1截止后，或非門立即使Q2導通，為柵源極電容放電提供通路。此驅(qū)動方式中，Q1提供驅(qū)動電流，Q2提供灌電流（即放電電流）。Q1為發(fā)射極輸出器，其本身具有極低的輸出阻抗。

為了達到上述要求，將普通用于雙極型開關管驅(qū)動輸出接入圖2b的外設驅(qū)動電路，也可以滿足MOS FET管的驅(qū)動要求。設計驅(qū)動雙極型開關管的集成電路，常采用雙端圖騰柱式輸出兩路脈沖，即兩路輸出脈沖極性是相同的，以驅(qū)動推挽的兩只NPN型三極管。為了讓推挽兩管輪流導通，兩路驅(qū)動脈沖的時間次序不同。如果第一路輸出正脈沖，經(jīng)截止后，過一死區(qū)時間，第二路方開始輸出。兩路驅(qū)動級采用雙極型三極管集射極開路輸出，以便于取得不同的脈沖極性，用于驅(qū)動NPN型或PNP型開關管。

前級驅(qū)動IC內(nèi)部緩沖器的發(fā)射極，在負載電阻R1上建立未倒相的正極性驅(qū)動脈沖使三極管Q截止。在驅(qū)動脈沖上升沿開始，正極性脈沖通過二極管D加到MOS FET開關管柵-源極，對柵源極電容CGS充電，當充電電壓達到開關管柵極電壓閾值時，其漏源極導通。正脈沖持續(xù)期過后，IC內(nèi)部緩沖放大器發(fā)射極電平為零，輸出端將有一定時間的死區(qū)。此時，Q的發(fā)射極帶有CGS充電電壓，因而Q導通，CGS通過Q的ec極放電，Q的集電極電流為灌電流通路。R2為開關管的柵極電阻，目的是避免開關管的柵極在Q、D轉(zhuǎn)換過程中懸空，否則其近似無窮大的高輸入阻抗極容易被干擾電平所擊穿。采用此方式利用普通雙端輸出集成電路，驅(qū)動MOS FET開關管，可以達到比較理想的效果。為了降低導通/截止損耗，D應選用快速開關二極管。Q的集電極電流應根據(jù)開關管決定，若為了提高輸出功率，每路輸出采用多只MOS FET管并聯(lián)應用，則應選擇ICM足夠大的灌流三極管和高速開關二極管。