一款功率穩壓逆變電源的設計應用

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

　　標稱(chēng)功率300W的逆變電源，用于家庭電風(fēng)扇、電視機，以及日常照明等是不成問(wèn)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(mǎn)電后，可使用近5小時(shí)。不過(guò)，即使蓄電池電壓充足，啟動(dòng)180立升的電冰箱仍有困難，因啟動(dòng)瞬間輸出電壓下降為不足180V而失敗。電冰箱壓縮機標稱(chēng)功率多為100W左右，實(shí)際啟動(dòng)瞬間電流可達2A以上，若欲使啟動(dòng)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(shí)，采用 PWM穩壓系統，可使啟動(dòng)瞬間降壓幅度明顯減小。無(wú)論電風(fēng)扇還是電冰箱，應用逆變電源供電時(shí)，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(kāi)關(guān)管的逆變器，基極驅動(dòng)電流基本上為開(kāi)關(guān)電流的1/β，因此大電流開(kāi)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(zhù)輸出功率的增大，開(kāi)關(guān)管驅動(dòng)電流需大于集電極電流的1/β，致使普通驅動(dòng)IC無(wú)法直接驅動(dòng)。雖說(shuō)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(kāi)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的驅動(dòng)方案，大多采用MOS FET管作開(kāi)關(guān)器件。

　　MOSFET管的應用

　　近年來(lái)，金屬氧化物絕緣柵場(chǎng)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(kāi)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(chǎng)效應管的電壓驅動(dòng)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(shí)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速、大功率逆變器和開(kāi)關(guān)電源等電路中。

　　一般中功率開(kāi)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(shí)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(kāi)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，使驅動(dòng)電壓的建立過(guò)程被延緩，開(kāi)關(guān)管導通損耗增大。

　　MOSFET的驅動(dòng)

　　近年來(lái)，隨著(zhù)MOSFET生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，各種開(kāi)關(guān)電源、變換器都廣泛采用MOS FET管作為高頻高壓開(kāi)關(guān)電路，但是，專(zhuān)用于驅動(dòng)MOS FET管的集成電路國內極少見(jiàn)。驅動(dòng)MOSFET管的要求是，低輸出阻抗，內設灌電流驅動(dòng)電路。所以，普通用于雙極型開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)IC不能直接用于驅動(dòng)場(chǎng)效應管。

　　目前就世界范圍來(lái)說(shuō)，可直接驅動(dòng)MOSFET管的IC品種仍不多，單端驅動(dòng)器常用的是UC3842系列，而用于推挽電路雙端驅動(dòng)器有SG3525A（驅動(dòng) N溝道場(chǎng)效應管）、SG3527A（驅動(dòng)P溝道場(chǎng)效應管）和SG3526N（驅動(dòng)N溝道場(chǎng)效應管）。然而在開(kāi)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動(dòng)IC.同時(shí)隨著(zhù)MOSFET管應用普及，又開(kāi)發(fā)了不少新電路，可將其用于驅動(dòng)MOSFET管，解決MOSFET的驅動(dòng)無(wú)非包括兩個(gè)內容：一是降低驅動(dòng)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以及單端驅動(dòng)器UC3842系列的驅動(dòng)級。

　　圖2

　　圖2a為上述IC的驅動(dòng)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(mén)，將脈沖上升沿和下降沿輸出兩路時(shí)序不同的驅動(dòng)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(kāi)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(guò)后，若開(kāi)關(guān)管柵-源極間充電電荷不能快速放完，將使漏源極驅動(dòng)脈沖不能立即截止。為此，Q1截止后，或非門(mén)立即使Q2導通，為柵源極電容放電提供通路。此驅動(dòng)方式中，Q1提供驅動(dòng)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(kāi)關(guān)管驅動(dòng)輸出接入圖2b的外設驅動(dòng)電路，也可以滿(mǎn)足MOS FET管的驅動(dòng)要求。設計驅動(dòng)雙極型開(kāi)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，以驅動(dòng)推挽的兩只NPN型三極管。為了讓推挽兩管輪流導通，兩路驅動(dòng)脈沖的時(shí)間次序不同。如果第一路輸出正脈沖，經(jīng)截止后，過(guò)一死區時(shí)間，第二路方開(kāi)始輸出。兩路驅動(dòng)級采用雙極型三極管集射極開(kāi)路輸出，以便于取得不同的脈沖極性，用于驅動(dòng)NPN型或PNP型開(kāi)關(guān)管。

　　前級驅動(dòng)IC內部緩沖器的發(fā)射極，在負載電阻R1上建立未倒相的正極性驅動(dòng)脈沖使三極管Q截止。在驅動(dòng)脈沖上升沿開(kāi)始，正極性脈沖通過(guò)二極管D加到MOS FET開(kāi)關(guān)管柵-源極，對柵源極電容CGS充電，當充電電壓達到開(kāi)關(guān)管柵極電壓閾值時(shí)，其漏源極導通。正脈沖持續期過(guò)后，IC內部緩沖放大器發(fā)射極電平為零，輸出端將有一定時(shí)間的死區。此時(shí)，Q的發(fā)射極帶有CGS充電電壓，因而Q導通，CGS通過(guò)Q的ec極放電，Q的集電極電流為灌電流通路。R2為開(kāi)關(guān)管的柵極電阻，目的是避免開(kāi)關(guān)管的柵極在Q、D轉換過(guò)程中懸空，否則其近似無(wú)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，驅動(dòng)MOS FET開(kāi)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(kāi)關(guān)二極管。Q的集電極電流應根據開(kāi)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(kāi)關(guān)二極管。

　　TL494應用

　　目前所有的雙端輸出驅動(dòng)IC中，可以說(shuō)美國德州儀器公司開(kāi)發(fā)的TL494功能最完善、驅動(dòng)能力最強，其兩路時(shí)序不同的輸出總電流為SG3525的兩倍，達到400mA.僅此一點(diǎn)，使輸出功率千瓦級及以上的開(kāi)關(guān)電源、DC/DC變換器、逆變器，幾乎無(wú)一例外地采用TL494.雖然TL494設計用于驅動(dòng)雙極型開(kāi)關(guān)管，然而目前絕大部分采用MOS FET開(kāi)關(guān)管的設備，利用外設灌流電路，也廣泛采用TL494.為此，本節中將詳細介紹其功能及應用電路。其內部方框圖如圖3所示。其內部電路功能、特點(diǎn)及應用方法如下：

　　A.內置RC定時(shí)電路設定頻率的獨立鋸齒波振蕩器，其振蕩頻率fo（kHz）=1.2/R（kΩ）。C（μF），其最高振蕩頻率可達300kHz，既能驅動(dòng)雙極性開(kāi)關(guān)管，增設灌電流通路后，還能驅動(dòng)MOS FET開(kāi)關(guān)管。

　　B.內部設有比較器組成的死區時(shí)間控制電路，用外加電壓控制比較器的輸出電平，通過(guò)其輸出電平使觸發(fā)器翻轉，控制兩路輸出之間的死區時(shí)間。當第4腳電平升高時(shí)，死區時(shí)間增大。

　　C.觸發(fā)器的兩路輸出設有控制電路，使Q1、Q2既可輸出雙端時(shí)序不同的驅動(dòng)脈沖，驅動(dòng)推挽開(kāi)關(guān)電路和半橋開(kāi)關(guān)電路，同時(shí)也可輸出同相序的單端驅動(dòng)脈沖，驅動(dòng)單端開(kāi)關(guān)電路。

　　D.內部?jì)山M完全相同的誤差放大器，其同相輸入端均被引出芯片外，因此可以自由設定其基準電壓，以方便用于穩壓取樣，或利用其中一種作為過(guò)壓、過(guò)流超閾值保護。

　　E.輸出驅動(dòng)電流單端達到400mA，能直接驅動(dòng)峰值電流達5A的開(kāi)關(guān)電路。雙端輸出脈沖峰值為2×200mA，加入驅動(dòng)級即能驅動(dòng)近千瓦的推挽式和橋式電路。

　　圖3

TL494的各腳功能及參數如下：第1、16腳為誤差放大器A1、A2的同相輸入端。最高輸入電壓不超過(guò)VCC+0.3V.第2、15腳為誤差放大器 A1、A2的反相輸入端?？山尤胝`差檢出的基準電壓。第3腳為誤差放大器A1、A2的輸出端。集成電路內部用于控制PWM比較器的同相輸入端，當A1、 A2任一輸出電壓升高時(shí)，控制PWM比較器的輸出脈寬減小。同時(shí)，該輸出端還引出端外，以便與第2、15腳間接入RC頻率校正電路和直接負反饋電路，一則穩定誤差放大器的增益，二則防止其高頻自激。另外，第3腳電壓反比于輸出脈寬，也可利用該端功能實(shí)現高電平保護。第4腳為死區時(shí)間控制端。當外加1V以下的電壓時(shí)，死區時(shí)間與外加電壓成正比。如果電壓超過(guò)1V，內部比較器將關(guān)斷觸發(fā)器的輸出脈沖。第5腳為鋸齒波振蕩器外接定時(shí)電容端，第6腳為鋸齒波振蕩器外接定時(shí)電阻端，一般用于驅動(dòng)雙極性三極管時(shí)需限制振蕩頻率小于40kHz.第7腳為接地端。第8、11腳為兩路驅動(dòng)放大器NPN管的集電極開(kāi)路輸出端。當第8、11腳接Vcc，第9、10腳接入發(fā)射極負載電阻到地時(shí)，兩路為正極性圖騰柱式輸出，用以驅動(dòng)各種推挽開(kāi)關(guān)電路。當第8、11腳接地時(shí)，兩路為同相位驅動(dòng)脈沖輸出。第8、11腳和9、10腳可直接并聯(lián)，雙端輸出時(shí)最大驅動(dòng)電流為2×200mA，并聯(lián)運用時(shí)最大驅動(dòng)電流