目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)采用的長(zhǎng)延時(shí)熱脫扣試驗(yàn)方案是通過變壓器直接對(duì)斷路器施加一個(gè)電壓以獲得測(cè)試電流。在測(cè)試過程中,由于電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、載流電路中引線電阻變化、負(fù)載本身電阻發(fā)熱變化,使測(cè)試電流隨之變動(dòng),難以滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)。
標(biāo)稱功率300W的逆變電源,用于家庭電風(fēng)扇、電視機(jī),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(shí)。不過,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(jī)標(biāo)稱功率多為100W左右,實(shí)際啟動(dòng)瞬間電流可達(dá)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(wěn)壓系統(tǒng),可使啟動(dòng)瞬間降壓幅度明顯減小。無論電風(fēng)扇還是電冰箱,應(yīng)用逆變電源供電時(shí),均應(yīng)在逆變器輸出端增設(shè)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(jī)繞組。
采用雙極型開關(guān)管的逆變器,基極驅(qū)動(dòng)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(jí)放大,不僅使電路復(fù)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(dòng)電流需大于集電極電流的1/β,致使普通驅(qū)動(dòng)IC無法直接驅(qū)動(dòng)。雖說采用多級(jí)放大可以達(dá)到目的,但是波形失真卻明顯增大,從而導(dǎo)致開關(guān)管的導(dǎo)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(dòng)方案,大多采用MOSFET管作開關(guān)器件。
MOSFET管的應(yīng)用
近年來,金屬氧化物絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的制造工藝飛速發(fā)展,使之漏源極耐壓(VDS)達(dá)kV以上,漏源極電流(IDS)達(dá)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MOSFET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M(fèi)OSFET管作為前級(jí)、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(yīng)管的電壓驅(qū)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(dá)到0.4μs以下,VCEO達(dá)到1.8kV,ICM達(dá)到100A的水平,目前常用于電機(jī)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MOSFET管的并聯(lián)推挽電路。MOSFET管漏-源極間導(dǎo)通電阻,具有電阻的均流特性,并聯(lián)應(yīng)用時(shí)不必外加均流電阻,漏源極直接并聯(lián)應(yīng)用即可。而柵源極并聯(lián)應(yīng)用,則每只MOSFET管必須采用單獨(dú)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(dǎo)致充電電流增大,使驅(qū)動(dòng)電壓的建立過程被延緩,開關(guān)管導(dǎo)通損耗增大。
MOSFET的驅(qū)動(dòng)
近年來,隨著MOSFET生產(chǎn)工藝的改進(jìn),各種開關(guān)電源、變換器都廣泛采用MOSFET管作為高頻高壓開關(guān)電路,但是,專用于驅(qū)動(dòng)MOSFET管的集成電路國(guó)內(nèi)極少見。驅(qū)動(dòng)MOSFET管的要求是,低輸出阻抗,內(nèi)設(shè)灌電流驅(qū)動(dòng)電路。所以,普通用于雙極型開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)IC不能直接用于驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管。
目前就世界范圍來說,可直接驅(qū)動(dòng)MOSFET管的IC品種仍不多,單端驅(qū)動(dòng)器常用的是UC3842系列,而用于推挽電路雙端驅(qū)動(dòng)器有SG3525A(驅(qū)動(dòng) N溝道場(chǎng)效應(yīng)管)、SG3527A(驅(qū)動(dòng)P溝道場(chǎng)效應(yīng)管)和SG3526N(驅(qū)動(dòng)N溝道場(chǎng)效應(yīng)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(dòng)IC.同時(shí)隨著MOSFET管應(yīng)用普及,又開發(fā)了不少新電路,可將其用于驅(qū)動(dòng)MOSFET管,解決MOSFET的驅(qū)動(dòng)無非包括兩個(gè)內(nèi)容:一是降低驅(qū)動(dòng)IC的輸出阻抗;二是增設(shè)MOSFET管的灌電流通路。為此,不妨回顧SG3525A、SG3527A、SG3526N以及單端驅(qū)動(dòng)器UC3842系列的驅(qū)動(dòng)級(jí)。
圖2a為上述IC的驅(qū)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,將脈沖上升沿和下降沿輸出兩路時(shí)序不同的驅(qū)動(dòng)脈沖。在脈沖正程期間,Q1導(dǎo)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(dá)到導(dǎo)通閾值。當(dāng)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(dòng)脈沖不能立即截止。為此,Q1截止后,或非門立即使Q2導(dǎo)通,為柵源極電容放電提供通路。此驅(qū)動(dòng)方式中,Q1提供驅(qū)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。
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為了達(dá)到上述要求,將普通用于雙極型開關(guān)管驅(qū)動(dòng)輸出接入圖2b的外設(shè)驅(qū)動(dòng)電路,也可以滿足MOSFET管的驅(qū)動(dòng)要求。設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)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(dòng)推挽的兩只NPN型三極管。為了讓推挽兩管輪流導(dǎo)通,兩路驅(qū)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,過一死區(qū)時(shí)間,第二路方開始輸出。兩路驅(qū)動(dòng)級(jí)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(dòng) NPN型或PNP型開關(guān)管。
前級(jí)驅(qū)動(dòng)IC內(nèi)部緩沖器的發(fā)射極,在負(fù)載電阻R1上建立未倒相的正極性驅(qū)動(dòng)脈沖使三極管Q截止。在驅(qū)動(dòng)脈沖上升沿開始,正極性脈沖通過二極管D加到MOSFET開關(guān)管柵-源極,對(duì)柵源極電容CGS充電,當(dāng)充電電壓達(dá)到開關(guān)管柵極電壓閾值時(shí),其漏源極導(dǎo)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(shí)間的死區(qū)。此時(shí),Q的發(fā)射極帶有CGS充電電壓,因而Q導(dǎo)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(dòng)MOSFET開關(guān)管,可達(dá)到比較理想的效果。為降低導(dǎo)通/截止損耗,D應(yīng)選用快速開關(guān)二極管.Q的集電極電流應(yīng)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MOSFET管并聯(lián)應(yīng)用,則應(yīng)選擇ICM足夠大的灌流三極管和高速開關(guān)二極管。
TL494應(yīng)用
目前所有的雙端輸出驅(qū)動(dòng)IC中,可以說美國(guó)德州儀器公司開發(fā)的TL494功能最完善、驅(qū)動(dòng)能力最強(qiáng),其兩路時(shí)序不同的輸出總電流為SG3525的兩倍,達(dá)到400mA.僅此一點(diǎn),使輸出功率千瓦級(jí)及以上的開關(guān)電源、DC/DC變換器、逆變器,幾乎無一例外地采用TL494.雖然TL494設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)雙極型開關(guān)管,然而目前絕大部分采用MOSFET開關(guān)管的設(shè)備,利用外設(shè)灌流電路,也廣泛采用TL494。為此,本節(jié)中將詳細(xì)介紹其功能及應(yīng)用電路。其內(nèi)部方框圖如圖3所示。其內(nèi)部電路功能、特點(diǎn)及應(yīng)用方法如下:
A.內(nèi)置RC定時(shí)電路設(shè)定頻率的獨(dú)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(dá)300kHz,既能驅(qū)動(dòng)雙極性開關(guān)管,增設(shè)灌電流通路后,還能驅(qū)動(dòng)MOSFET開關(guān)管。
B.內(nèi)部設(shè)有比較器組成的死區(qū)時(shí)間控制電路,用外加電壓控制比較器的輸出電平,通過其輸出電平使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn),控制兩路輸出之間的死區(qū)時(shí)間。當(dāng)?shù)?腳電平升高時(shí),死區(qū)時(shí)間增大。
C.觸發(fā)器的兩路輸出設(shè)有控制電路,使Q1、Q2既可輸出雙端時(shí)序不同的驅(qū)動(dòng)脈沖,驅(qū)動(dòng)推挽開關(guān)電路和半橋開關(guān)電路,同時(shí)也可輸出同相序的單端驅(qū)動(dòng)脈沖,驅(qū)動(dòng)單端開關(guān)電路。
D.內(nèi)部?jī)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(shè)定其基準(zhǔn)電壓,以方便用于穩(wěn)壓取樣,或利用其中一種作為過壓、過流超閾值保護(hù)。
E.輸出驅(qū)動(dòng)電流單端達(dá)到400mA,能直接驅(qū)動(dòng)峰值電流達(dá)5A的開關(guān)電路。雙端輸出脈沖峰值為2×200mA,加入驅(qū)動(dòng)級(jí)即能驅(qū)動(dòng)近千瓦的推挽式和橋式電路。
TL494的各腳功能及參數(shù)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(zhǔn)電壓。第3腳為誤差放大器A1、A2的輸出端。集成電路內(nèi)部用于控制PWM比較器的同相輸入端,當(dāng)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(fù)反饋電路,一則穩(wěn)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(xiàn)高電平保護(hù)。第4腳為死區(qū)時(shí)間控制端。當(dāng)外加1V以下的電壓時(shí),死區(qū)時(shí)間與外加電壓成正比。如果電壓超過1V,內(nèi)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(qū)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(qū)動(dòng)放大器NPN管的集電極開路輸出端。當(dāng)?shù)?、11腳接Vcc,第9、10腳接入發(fā)射極負(fù)載電阻到地時(shí),兩路為正極性圖騰柱式輸出,用以驅(qū)動(dòng)各種推挽開關(guān)電路。當(dāng)?shù)?、11腳接地時(shí),兩路為同相位驅(qū)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(qū)動(dòng)電流為2×200mA,并聯(lián)運(yùn)用時(shí)最大驅(qū)動(dòng)電流為400mA.第14腳為內(nèi)部基準(zhǔn)電壓精密穩(wěn)壓電路端。輸出5V±0.25V的基準(zhǔn)電壓,最大負(fù)載電流為10mA.用于誤差檢出基準(zhǔn)電壓和控制模式的控制電壓。TL494的極限參數(shù):最高瞬間工作電壓(12腳)42V,最大輸出電流250mA,最高誤差輸入電壓Vcc+0.3V,測(cè)試/環(huán)境溫度≤45℃,最大允許功耗1W,最高結(jié)溫 150℃,使用溫度范圍0~70℃,保存溫度-65~+150℃。
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TL494的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用參數(shù):Vcc(第12腳)為7~40V,Vcc1(第8腳)、Vcc2(第11腳)為40V,Ic1、Ic2為200mA,RT取值范圍1.8~500kΩ,CT取值范圍4700pF~10μF,最高振蕩頻率(fOSC)≤300kHz。
圖4為外刊介紹的利用TL494組成的400W大功率穩(wěn)壓逆變器電路。它激式變換部分采用TL494,VT1、VT2、VD3、VD4構(gòu)成灌電流驅(qū)動(dòng)電路,驅(qū)動(dòng)兩路各兩只60V/30A的MOSFET開關(guān)管。如需提高輸出功率,每路可采用3~4只開關(guān)管并聯(lián)應(yīng)用,電路不變。TL494在該逆變器中的應(yīng)用方法如下:
第1、2腳構(gòu)成穩(wěn)壓取樣、誤差放大系統(tǒng),正相輸入端1腳輸入逆變器次級(jí)取樣繞組整流輸出的15V直流電壓,經(jīng)R1、R2分壓,使第1腳在逆變器正常工作時(shí)有近4.7~5.6V取樣電壓。反相輸入端2腳輸入5V基準(zhǔn)電壓(由14腳輸出)。當(dāng)輸出電壓降低時(shí),1腳電壓降低,誤差放大器輸出低電平,通過PWM電路使輸出電壓升高。正常時(shí)1腳電壓值為5.4V,2腳電壓值為5V,3腳電壓值為0.06V.此時(shí)輸出AC電壓為235V(方波電壓)。第4腳外接R6、 R4、C2設(shè)定死區(qū)時(shí)間。正常電壓值為0.01V.第5、6腳外接CT、RT設(shè)定振蕩器三角波頻率為100Hz.正常時(shí)5腳電壓值為1.75V,6腳電壓值為3.73V.第7腳為共地。第8、11腳為內(nèi)部驅(qū)動(dòng)輸出三極管集電極,第12腳為TL494前級(jí)供電端,此三端通過開關(guān)S控制TL494的啟動(dòng)/停止,作為逆變器的控制開關(guān)。當(dāng)S1關(guān)斷時(shí),TL494無輸出脈沖,因此開關(guān)管VT4~VT6無任何電流。S1接通時(shí),此三腳電壓值為蓄電池的正極電壓。第9、10腳為內(nèi)部驅(qū)動(dòng)級(jí)三極管發(fā)射極,輸出兩路時(shí)序不同的正脈沖。正常時(shí)電壓值為1.8V.第13、14、15腳其中14腳輸出5V基準(zhǔn)電壓,使13腳有5V高電平,控制門電路,觸發(fā)器輸出兩路驅(qū)動(dòng)脈沖,用于推挽開關(guān)電路。第15腳外接5V電壓,構(gòu)成誤差放大器反相輸入基準(zhǔn)電壓,以使同相輸入端16腳構(gòu)成高電平保護(hù)輸入端。此接法中,當(dāng)?shù)?6腳輸入大于5V的高電平時(shí),可通過穩(wěn)壓作用降低輸出電壓,或關(guān)斷驅(qū)動(dòng)脈沖而實(shí)現(xiàn)保護(hù)。在它激逆變器中輸出超壓的可能性幾乎沒有,故該電路中第16腳未用,由電阻R8接地。
該逆變器采用容量為400VA的工頻變壓器,鐵芯采用45×60mm2的硅鋼片。初級(jí)繞組采用直徑1.2mm的漆包線,兩根并繞2×20匝。次級(jí)取樣繞組采用0.41mm漆包線繞36匝,中心抽頭。次級(jí)繞組按230V計(jì)算,采用0.8mm漆包線繞400匝。開關(guān)管VT4~VT6可用60V/30A任何型號(hào)的N溝道MOSFET管代替。VD7可用1N400X系列普通二極管。該電路幾乎不經(jīng)調(diào)試即可正常工作。當(dāng)C9正極端電壓為12V時(shí),R1可在3.6~4.7kΩ之間選擇,或用10kΩ電位器 調(diào)整,使輸出電壓為額定值。如將此逆變器輸出功率增大為近600W,為了避免初級(jí)電流過大,增大電阻性損耗,宜將蓄電池改用24V,開關(guān)管可選用VDS為 100V的大電流MOSFET管。需注意的是,寧可選用多管并聯(lián),而不選用單只IDS大于50A的開關(guān)管,其原因是:一則價(jià)格較高,二則驅(qū)動(dòng)太困難。建議選用100V/32A的 2SK564,或選用三只2SK906并聯(lián)應(yīng)用。同時(shí),變壓器鐵芯截面需達(dá)到50cm2,按普通電源變壓器計(jì)算方式算出匝數(shù)和線徑,或者采用廢UPS- 600中變壓器代用。如為電冰箱、電風(fēng)扇供電,請(qǐng)勿忘記加入LC低通濾波器。
由于本文中的交流穩(wěn)流源實(shí)質(zhì)上是一個(gè)電壓型電流源,即通過快速調(diào)節(jié)輸出電壓來實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)流。當(dāng)輸出開路時(shí),輸出電壓會(huì)迅速上升到到直流母線電壓附近,而不會(huì)像電流型電流源那樣升得很高。盡管如此,負(fù)載開路時(shí),輸出電壓仍會(huì)迅速上升,并引起輸出電壓以LC諧振頻率進(jìn)行振蕩,這兩者均會(huì)導(dǎo)致輸出波形嚴(yán)重畸變;此外,當(dāng)輸出負(fù)載重新接上時(shí)會(huì)引起輸出瞬態(tài)過流。因此,所描述的交流穩(wěn)流逆變電源應(yīng)用于低壓電器長(zhǎng)延時(shí)熱脫扣試驗(yàn),適用于對(duì)斷路器、熱繼電器等低壓電器作長(zhǎng)延時(shí)特性的校驗(yàn)和測(cè)試。
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