靜電感應(yīng)晶閘管在電源電路中的應(yīng)用研究

1、靜電感應(yīng)晶閘管在電源電路中的應(yīng)用研究摘要：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫(kù)仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte1 引言在先前發(fā)表的“靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）的應(yīng)用研究”一文中，我們對(duì)國(guó)產(chǎn)SITH器件的基本特性作了研究，并研制了四種驅(qū)動(dòng)電

2、路。在這四種電路驅(qū)動(dòng)下，SITH器件取得了0.2 ms以下的開(kāi)關(guān)速度?，F(xiàn)進(jìn)一步將驅(qū)動(dòng)電路及SITH器件一起擴(kuò)展成實(shí)際的開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用電路，經(jīng)測(cè)試，得到了比較先進(jìn)的性能指標(biāo)。這樣，對(duì)SITH器件的應(yīng)用研究就更加全面，使得對(duì)它的推廣應(yīng)用打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。2 電路研究2.1 應(yīng)用電路（一）該應(yīng)用電路是一個(gè)開(kāi)關(guān)電源，是鑒于以下幾點(diǎn)考慮而設(shè)計(jì)的：（1）針對(duì)電機(jī)調(diào)速、溫度控制等大功率應(yīng)用方向，確定是AC-DC變換，這里AC 專指交流50周單相電壓220V工頻電網(wǎng)；（2）該電源輸入必須是高功率因數(shù)0.95以上，還必須是低噪擾，符合或優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；（3）該電源效率要求在90%以上；（4）能體現(xiàn)SITH管的優(yōu)勢(shì)，避

3、開(kāi)其弱點(diǎn)。這里采用了BOOST變換程式（圖1）。圖中 R1：1k；R2：20；R3：10k；R 4：5k；R5：5k；R6：800k；R7：10k ；R8：20k；R9：1M；R10：0.2 ；R11：50k；R12：10k；C1：0.01mf；C2：200pf； C3：0.1mf；C4：50mf；C5：100mf/400V； C6：2mf/250V；C7：2000pf；D1：12V/0.5W穩(wěn)壓二極管；D2： 3A快恢二極管HER308； D3、D6：2A/400V整流橋；Q1、Q3：npn三極管8050；Q2：pnp三極管8550；Q4：VDMOS 10A/30V；L1：2mH/ 1A高頻

4、電感；L2：2mH/ 1A高頻電感；IC：UC3852。UC3852的詳細(xì)工作原理請(qǐng)參閱Texas Instruments公司有關(guān)資料。要著重指出的是， UC3852是一種專門用來(lái)提高輸入功率因數(shù)的開(kāi)關(guān)電源控制芯片，它的基本原理是在遠(yuǎn)高于50周的頻率下工作， 控制開(kāi)關(guān)管以一個(gè)恒定的時(shí)間Ton導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)電感L2承受全部交流輸入電壓Vin 。在Ton結(jié)束時(shí)， 電感電流，也就是輸入電流I in=(Vin /L2)Ton ，因此Iin與Vin成正比。接著，UC3852使開(kāi)關(guān)管關(guān)閉， L2向負(fù)載端放電，Iin呈線性衰減， 當(dāng)UC3852檢測(cè)到Iin衰減到零時(shí)，又控制開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，進(jìn)入下一個(gè)Ton，見(jiàn)圖2

5、。圖中， 上部是UC3852的驅(qū)動(dòng)波形， 高電平是驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，高電平的時(shí)間Ton 是恒定的；下部是輸入電壓Vin和輸入電流 Iin的波形。在Ton時(shí)段內(nèi)，Iin線性上升， 上升的速率與當(dāng)時(shí)的Vin值成正比， 由于每次都是從零開(kāi)始， 因此Iin的峰值也與Vin 成正比。實(shí)際上，UC3852的工作頻率要比圖中表示的高得多，約25kHz。因此可認(rèn)為在每個(gè)三角形區(qū)段Vin恒定， 則Iin的平均值也正比于V in，經(jīng)過(guò)L1、C6低通濾波后，輸入電流波形與輸入電壓一致， 則功率因數(shù)必然很高。這就是UC3852的簡(jiǎn)單工作原理。圖1的電路參數(shù)構(gòu)成一個(gè)輸出為100W的電路， SITH管為主開(kāi)關(guān)，采用驅(qū)動(dòng)電路

6、（一）的方案，由Q1、Q2、Q3和Q4組成SITH管的驅(qū)動(dòng)電路； L2是BOOST電感；C5是輸出濾波電容；R 6、R7、R8、R9和C3組成反饋電路， 供UC3852采用， 控制輸出電壓穩(wěn)定；R12和C7是UC3852工作頻率的定時(shí)電路， 這里定在25kHz左右；L1和C6是低通濾波器， 阻止Iin中的高頻成分傳回電網(wǎng)；R 10是電流采樣電阻， 向UC3852提供Iin的波形。從圖2的波形上可以看出， 這是一種電流非連續(xù)方式， 它的好處是開(kāi)關(guān)管總是從零電流開(kāi)始導(dǎo)通，最終達(dá)到二倍的平均電流， 從而使SITH管避開(kāi)了導(dǎo)通慢的弱點(diǎn)， 又發(fā)揚(yáng)了其大電流性能好的優(yōu)點(diǎn)。它又使二極管D2在正向電流到零后再

7、承受反壓， 避開(kāi)了反向恢復(fù)損耗的問(wèn)題。D2的作用是阻止輸出電容 C5向L2和SITH管放電， 它正向流過(guò)的就是負(fù)載電流， 而反向承受的是400V電壓。測(cè)試中D2使用中速的快恢二極管， 溫升很低。 輸出電壓取400V是電路工作要求的（參閱Texas Instruments 公司有關(guān)資料），因而不能降低。 SITH管在關(guān)斷時(shí)也承受400V的反壓， 對(duì)它來(lái)說(shuō)余量較大，也是優(yōu)勢(shì)所在。測(cè)得其主要指標(biāo)如下：輸入電壓：AC220V 50Hz；輸入電流：0.58A；輸入功率：111W；功率因數(shù)：0.95；輸出電壓：DC410V， 紋波峰峰值：Vpp=20V；輸出負(fù)載電阻：1610；輸出功率：104W； 效率：

8、0.94。由此看來(lái)，SITH器件及其驅(qū)動(dòng)電路滿足了要求，結(jié)果是令人滿意的。然而，SITH管在工作時(shí)大約有3.5W左右的管耗，是電路中唯一有明顯溫升的器件。電路中使用的SITH管是TO-220封裝，最初加上50mm 60mm散熱片，開(kāi)機(jī)5分鐘內(nèi)表面溫升達(dá)50， 輸入功率增加了3W。 后來(lái)， 改用帶有風(fēng)扇的CPU散熱器， 風(fēng)扇功率1W， 開(kāi)機(jī)15分鐘后，表面溫升仍不迢過(guò)5， 輸入功率始終在111W左右。由此可以認(rèn)為， SITH管與其它電力器件一樣，開(kāi)關(guān)損耗隨溫度升高而增加。若散熱不好，會(huì)形成惡性循環(huán)。頻繁的高溫差變化還會(huì)使焊錫過(guò)早脆化， 使焊接質(zhì)量變壞。因此良好散熱是保證可靠性、保證高效率的最有效

9、最重要的手段。由于SITH管具有較強(qiáng)的過(guò)流能力， 因此在良好散熱下， 不必采用“降容量使用”的傳統(tǒng)方法， 可以選用電流額定值與工作額定值相當(dāng)?shù)钠骷?以降低成本又不影響可靠性。2.2 應(yīng)用電路（二）應(yīng)用電路（一）的輸出電壓是固定直流400V， 不能靈活調(diào)整， 又沒(méi)能與輸入隔離， 往往需要加后級(jí)電路。本應(yīng)用電路（二）是在電路（一）基礎(chǔ)上加以改動(dòng)， 將輸出隔離， 又能調(diào)整電壓， 見(jiàn)圖3。圖中：R1：1k；R2：20；R 3：10k；R4：5k；R5：5k；R6：800k；R7：10k；R8：20k；R9：1M ；R10：0.2；R11：50k；R12：10k ；R13：20k/3W；R14：40/

10、10W；C 1：0.01mf；C2：200pf；C3：0.1mf；C 4：50mf；C5：2000pf / 400V；C6：2mf / 250V；C7：2000pf；C8：0.1mf / 600V；C9：3000mf / 50V；C10：2mf / 400V； D1：12V / 0.5W穩(wěn)壓二極管；D2、D7、D8、D9：3A快恢二極管HER308； D3、D4、D5、D6：2A/400V整流橋；D10：46V / 1W稻壓二極管；Q1、Q3：npn三極管8050；Q2：pnp三極管8550；Q4：VDMOS 10A/30V；L1：2mH/ 1A高頻電感； L2：2mH/ 1A高頻電感；L3：

11、500mH/ 2A高頻電感；Tr：高頻變壓器；匝比：2:12；IC1：UC3852； IC2：光耦521-1。此電路參數(shù)是48V/100W輸出的直流電源。它的工作原理與電路（一）相同，只是輸出部分用電容C 10將SITH管漏極的直流方波割直成交流方波，送到變壓器Tr的初級(jí)，然后耦合到次級(jí)改變了電壓，再經(jīng)過(guò)整流濾波輸出。次級(jí)分成兩個(gè)線圈，分別通過(guò)不同的整流濾波環(huán)節(jié)，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò) C10的交流方波，是不對(duì)稱的， 正向部分實(shí)際上是電感L2放電， 是電流源， 要用副邊的上半部分整流；負(fù)向部分實(shí)際上是C10放電， 是電壓源， 要用副邊的下半部分整流。改變Tr的匝比可以得到需要的輸出電壓， 也與輸入電網(wǎng)隔

12、離。光耦521-1是負(fù)反饋的隔離元件。D2、 C5、C8、R13、R14組成上沖吸收電路， 由于漏感的原因，變壓器在接受電流源脈沖時(shí)， 上沖十分強(qiáng)烈， 對(duì)器件很不利， 同時(shí)還造成很大的高頻噪擾， 必須衰減它。吸收電路可以有效地衰減上沖， 但是經(jīng)大量試驗(yàn)表明， 這種衰減的能耗相當(dāng)大， 是以降低效率為代價(jià)的。本試驗(yàn)中吸收環(huán)節(jié)要消耗6W左右的功率， 上沖仍占主波的25%， 使效率從91%下降到84%， 線路板上有一塊明顯的發(fā)熱源。因此在沒(méi)解決高效吸收問(wèn)題之前， 該電路應(yīng)考慮在小功率應(yīng)用。2.3 應(yīng)用電路（三）這是一個(gè)交流開(kāi)關(guān)，可切換1000W的負(fù)載，應(yīng)用很廣。原本是用可控硅或雙向可控硅組成，現(xiàn)用兩只

13、SITH管取代。它具有過(guò)零開(kāi)通和過(guò)零關(guān)斷的功能， 以減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊，在需要時(shí)也可以立即關(guān)斷。由于使用了SITH管， 才具有強(qiáng)迫關(guān)斷， 即快速關(guān)斷的功能。這是可控硅或雙向可控硅做不到的，它可以與單片機(jī)配合使用。這里僅提供強(qiáng)電部分原理圖（圖4）。圖中：R1、R2：1k； R3：10k；R4：200； R5、R6、R7：5.1k； C1：300mF /16V ；D1、D2：10A/400V整流二極管；D3、D4、D5：1N4001；Q1、Q2：VDMOS (Ron=0.05W)：IC1：LM393雙比較器；IC2： CD4013 D觸發(fā)器；IC3、IC4：光耦521；Tr1：電源變壓器220V/9V23W。圖中，