詳解一種功率穩壓逆變電源電路設計

時(shí)間:2019-4-1 分(fēn)享到:

本文介紹了(le)一種功率穩壓逆變電源,具有工作穩定可(kě)靠、輸入功率因數高(gāo)、輸出精 度高(gāo)、波形失真度小、效率高(gāo)的(de)優點。

采用(yòng) PWM 穩壓系統,可(kě)使啓動瞬間降壓幅度明(míng)顯減小。無論電風扇還(hái)是電冰箱,應用(yòng)逆變電源供電時(shí),均應在逆變器輸出端增設圖 1 中的(de) LC 濾波器,以改善波形,避免脈沖上升沿尖峰擊穿電機繞組。

详解一种功率稳压逆变电源电路设计

圖1

采用(yòng)雙極型開關管的(de)逆變器,基極驅動電流基本上爲開關電流的(de) 1/ β,因此大(dà)電流開關電路必須采用(yòng)多(duō)級放大(dà),不僅使電路複雜(zá)化(huà),可(kě)靠性也(yě)變差而且随著(zhe)輸出功 率的(de)增大(dà),開關管驅動電流需大(dà)于集電極電流的(de) 1/β, 緻使普通(tōng)驅動 IC 無法直接驅動。 雖說采用(yòng)多(duō)級放大(dà)可(kě)以達到目的(de), 但是波形失真卻明(míng)顯增大(dà), 從而導緻開 關管的(de)導通(tōng)/截止損耗也(yě)增大(dà)。 目前解決大(dà)功率逆變電源及 UPS 的(de)驅動方案,大(dà)多(duō)采用(yòng) MOSFET 管作開關器件。

MOSFET 的(de)驅動

近年來(lái), 随著(zhe) MOSFET 生産工藝的(de)改進, 各種開關電源、 變換器都廣泛采用(yòng) MOSFET 管作爲高(gāo)頻(pín)高(gāo)壓開關電路, 但是, 專用(yòng)于驅動 MOSFET 管的(de)集成電 路國内極少見。 驅動 MOSFET管的(de)要求是,低輸出阻抗,内設灌電流驅動電路。所以,普通(tōng)用(yòng)于雙極型開關管的(de)驅動 IC不能直接用(yòng)于驅動場(chǎng)效應管。

目前就世界範圍來(lái)說,可(kě)直接驅動 MOSFET 管的(de) IC 品種仍不多(duō),單端驅動器常用(yòng)的(de) 是UC3842 系列, 而用(yòng)于推挽電路雙端驅動器有 SG3525A(驅動 N 溝道場(chǎng)效應管)、 SG3527A(驅動 P 溝道場(chǎng)效應管) 和(hé) SG3526N(驅動 N 溝道場(chǎng)效應管)。然而在開關電源快(kuài)速發展的(de)近 40年中,畢竟有了(le)一大(dà)批 優秀的(de)、功能完善的(de)雙端輸出驅動 IC.同時(shí)随著(zhe) MOSFET 管應用(yòng)普及,又開發了(le)不少新電路,可(kě)将其用(yòng)于驅動 MOSFET 管,解決 MOSFET 的(de)驅動無非 包括兩個(gè)内容: 一是降低驅動 IC 的(de)輸出阻抗; 二是增設 MOSFET 管的(de)灌電流通(tōng)路。 爲此, 不妨回顧 SG3525A、SG3527A、SG3526N 以及單 端驅動器 UC3842 系列的(de)驅動級。

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圖2

圖 2a 爲上述 IC 的(de)驅動輸出電路(以其中一路輸出爲例)。振蕩器的(de)輸出脈沖經或非門,将脈沖上升沿和(hé)下(xià)降沿輸出兩路時(shí)序不同的(de)驅動脈沖。在脈沖正程期 間,Q1 導通(tōng),Q2 截止,Q1 發射極輸出的(de)正向脈沖, 向開關管栅極電容充電, 使漏-源極很快(kuài)達到導通(tōng)阈值。 當正程脈沖過後, 若開關管栅-源極間充電電荷不 能快(kuài)速放完, 将使漏源極驅動脈沖不能立即截止。爲此,Q1 截止後,或非門立即使 Q2 導通(tōng),爲栅源極電容放電提供通(tōng)路。此驅動方式中,Q1 提供驅動電 流,Q2 提供灌電流(即放電電流)。Q1 爲發射極輸出器,其本身具有極低的(de)輸出阻抗。

爲了(le)達到上述要求,将普通(tōng)用(yòng)于雙極型開關管驅動輸出接入圖 2b 的(de)外設驅動電路,也(yě)可(kě)以滿足 MOSFET 管的(de)驅動要求。 設計驅動雙極型開關管的(de)集成電路, 常 采用(yòng)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(de),以驅動推挽的(de)兩隻 NPN 型三極管。爲了(le)讓推挽兩管輪流導通(tōng),兩路驅動脈沖的(de)時(shí)間次序不同。如 果第一路輸出正脈沖,經截止後,過一死區(qū)時(shí)間, 第二路方開始輸出。 兩路驅動級采用(yòng)雙極型三極管集射極開路輸出, 以便于取得(de)不同的(de)脈沖極性,用(yòng)于驅動 NPN 型或 PNP 型開關管。

前級驅動 IC 内部緩沖器的(de)發射極,在負載電阻 R1 上建立未倒相的(de)正極性驅動脈沖使三極管 Q 截止。在驅動脈沖上升沿開始,正極性脈沖通(tōng)過二極管 D 加到 MOSFET 開關管栅-源極,對(duì)栅源極電容 CGS 充電,當充電電壓達到開關管栅極電壓阈值時(shí),其漏源極導通(tōng)。正脈沖持續期過後, IC 内部緩沖放大(dà)器發射極 電平爲零, 輸出端将有一定時(shí)間的(de)死區(qū)。 此時(shí),Q 的(de)發射極帶有 CGS 充電電壓,因而 Q 導通(tōng),CGS 通(tōng)過 Q 的(de) ec 極放電,Q 的(de)集電極電流爲灌電流通(tōng)路。 R2 爲 開關管的(de)栅極電阻, 目的(de)是避免開關管的(de)栅極在 Q、 D 轉換過程中懸空, 否則其近似無窮大(dà)的(de)高(gāo)輸入阻抗極容易被幹擾電平所擊穿。 采用(yòng)此方式利用(yòng)普通(tōng)雙端輸出集 成電路,驅動 MOSFET 開關管,可(kě)達到比較理(lǐ)想的(de)效果。爲降低導通(tōng) /截止損耗,D應選用(yòng)快(kuài)速開關二極管.Q 的(de)集電極電流應根據開關管決定, 若爲了(le)提高(gāo)輸 出功率, 每路輸出采用(yòng)多(duō)隻 MOSFET 管并聯應用(yòng),則應選擇 ICM 足夠大(dà)的(de)灌流三極管和(hé)高(gāo)速開關二極管。

TL494 應用(yòng)

目前所有的(de)雙端輸出驅動 IC 中, 可(kě)以說美(měi)國德州儀器公司開發的(de) TL494 功能最完善、 驅動能力最強,其兩路時(shí)序不同的(de)輸出總電流爲 SG3525 的(de)兩倍,達到 400mA.僅此一點,使輸出功率千瓦級及以上的(de)開關電源、DC/DC 變換器、逆變器,幾乎無一例外地采用(yòng) TL494.雖然 TL494 設計用(yòng)于驅動雙極型開關管,然而目前絕大(dà)部分(fēn)采用(yòng) MOSFET 開關管的(de)設備, 利用(yòng)外設灌流電路,也(yě)廣泛采用(yòng) TL494 。爲此,本節中将詳細介紹 其功能及應用(yòng)電路。其内部方框圖如圖 3 所示。其内部電路功能、特點及應用(yòng)方法如下(xià):

A.内置 RC 定時(shí)電路設定頻(pín)率的(de)獨立鋸齒波振蕩器 , 其振蕩頻(pín)率 fo(kHz)=1.2/R(kΩ)。 C(μF),其最高(gāo)振蕩頻(pín)率可(kě)達 300kHz, 既能驅動雙極性開關管,增設灌電流通(tōng)路後,還(hái)能驅動MOSFET 開關管。

B.内部設有比較器組成的(de)死區(qū)時(shí)間控制電路, 用(yòng)外加電壓控制比較器的(de)輸出電平, 通(tōng)過其輸出電平使觸發器翻轉, 控制兩路輸出之間的(de)死區(qū)時(shí)間。 當第 4 腳電平升高(gāo)時(shí), 死區(qū)時(shí)間增大(dà)。

C.觸發器的(de)兩路輸出設有控制電路, 使 Q1、 Q2 既可(kě)輸出雙端時(shí)序不同的(de)驅動脈沖, 驅動推挽開關電路和(hé)半橋開關電路,同時(shí)也(yě)可(kě)輸出同相序的(de)單端驅動脈沖,驅動單端開關電路。

D.内部兩組完全相同的(de)誤差放大(dà)器, 其同相輸入端均被引出芯片外, 因此可(kě)以自由設定其基準電壓,以方便用(yòng)于穩壓取樣,或利用(yòng)其中一種作爲過壓、過流超阈值保護。

E.輸出驅動電流單端達到 400mA, 能直接驅動峰值電流達 5A 的(de)開關電路。雙端輸出脈沖峰值爲 2×200mA,加入驅動級即能驅動近千瓦的(de)推挽式和(hé)橋式電路。

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圖3

電壓不超過 VCC+0.3V.第 2、15 腳爲誤差放大(dà)器 A1、A2 的(de)反相輸入端。可(kě)接入誤差檢出的(de)基準電壓。 第 3 腳爲誤差放大(dà)器 A1、 A2 的(de)輸出端。 集成電路内部用(yòng)于控制 PWM 比較器的(de)同相輸入端,當 A1、 A2 任一輸出電壓升高(gāo)時(shí),控制 PWM 比較器的(de)輸出脈寬減小。同時(shí),該輸出端還(hái)引出端外,以便與第 2、15 腳間接入 RC 頻(pín)率校正電路和(hé)直接負反饋電路,一則 穩定誤差放大(dà)器的(de)增益,二則防止其高(gāo)頻(pín)自激。另外,第 3 腳電壓反比于輸出脈寬,也(yě)可(kě)利用(yòng)該端功能實現高(gāo)電平保護。 第 4 腳爲死區(qū)時(shí)間控制端。 當外加 1V 以下(xià) 的(de)電壓時(shí),死區(qū)時(shí)間與外加電壓成正比。如果電壓超過 1V,内部比較器将關斷觸發器的(de)輸出脈沖。第 5腳爲鋸齒波振蕩器外接定時(shí)電容端,第 6 腳爲鋸齒波振蕩器 外接定時(shí)電阻端,一般用(yòng)于驅動雙極性三極管時(shí)需限制振蕩頻(pín)率小于 40kHz. 第 7 腳爲接地端。第 8、11 腳爲兩路驅動放大(dà)器 NPN 管的(de)集電極開路輸出端。 當第 8、11 腳接 Vcc, 第 9、10 腳接入發射極負載電阻到地時(shí),兩路爲正極性圖騰柱式輸出,用(yòng)以驅動各種推挽開關電路。當第 8、11 腳接地時(shí),兩路爲同 相位驅動脈沖輸出。第 8、11 腳和(hé) 9、10 腳可(kě)直接并聯,雙端輸出時(shí)最大(dà)驅動電

流爲 2×200mA, 并聯運用(yòng)時(shí)最大(dà)驅動電流爲 400mA.第 14 腳爲内部 基準電壓精密穩壓電路端。 輸出 5V ±0.25V 的(de)基準電壓, 最大(dà)負載電流爲 10mA. 用(yòng)于誤差檢出基準電壓和(hé)控制模式的(de)控制電壓。TL494 的(de)極限參數: 最高(gāo)瞬間工作電壓(12 腳)42V,最大(dà)輸出電流 250mA,最高(gāo)誤差輸入電壓 Vcc+0.3V,測試/環境溫度≤45℃,最大(dà)允許功耗 1W,最高(gāo)結溫 150℃,使用(yòng)溫度範圍 0~70 ℃,保存溫度-65~+150 ℃。

TL494 的(de)标準應用(yòng)參數: Vcc(第 12 腳)爲 7~40V, Vcc1(第 8 腳)、 Vcc2(第 11 腳)爲 40V, Ic1、Ic2 爲 200mA , RT 取值範圍 1.8~500kΩ , CT 取值範圍 4700pF~10μF ,最高(gāo)振蕩頻(pín)率(fOSC)≤300kHz。

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圖4

圖 4 爲外刊介紹的(de)利用(yòng) TL494 組成的(de) 400W 大(dà)功率穩壓逆變器電路。它激式變換部分(fēn)采用(yòng)TL494, VT1、 VT2、 VD3、 VD4 構成灌電流驅動電 路, 驅動兩路各兩隻 60V/30A 的(de) MOSFET開關管。 如需提高(gāo)輸出功率, 每路可(kě)采用(yòng) 3~4 隻開關管并聯應用(yòng), 電路不變。

小結:由于本文中的(de)交流穩流源實質上是一個(gè)電壓型電流源, 即通(tōng)過快(kuài)速調節輸出電壓來(lái)實現輸出穩流。因此,所描述的(de)交流穩流逆變電源應用(yòng)于低壓電器長(cháng)延時(shí)熱(rè)脫扣試驗,适用(yòng)于對(duì)斷路器、熱(rè)繼電器等低壓電器作 長(cháng)延時(shí)特性的(de)校驗和(hé)測試。

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