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          一款功率穩(wěn)壓逆變電源的設計與制作

          作者: 時間:2013-09-06 來源:網(wǎng)絡 收藏

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/258531.htm

          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。



          采用雙極型開關(guān)管的逆變器,基極驅(qū)動電流基本上為開關(guān)電流的1/β,因此大電流開關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)器件。

          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(guān)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(guān)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(guān)電源等電路中。

          一般中功率開關(guān)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(guān)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(guān)管導通損耗增大。

          的驅(qū)動

          近年來,隨著生產(chǎn)工藝的改進,各種開關(guān)電源、變換器都廣泛采用MOS FET管作為高頻高壓開關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)管。



          圖2b中接入了PNP型三極管Q和二極管D,其作用是分別使驅(qū)動電流和灌電流分路。

          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(guān)管柵—源極,對柵源極電容CGS充電,當充電電壓達到開關(guān)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(guān)管的柵極電阻,目的是避免開關(guān)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(guān)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(guān)二極管。Q的集電極電流應根據(jù)開關(guān)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(guān)二極管。


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