隨著(zhù)PWM技術(shù)在變頻、逆變頻等領(lǐng)域的運用越來(lái)越廣泛,以及IGBT、PowerMOSFET等功率性開(kāi)關(guān)器件的快速發(fā)展,使得PWM控制的高壓大功率電源向著(zhù)小型化、高頻化、智能化、高效率方向發(fā)展。 本文采用電壓脈寬型PWM控制芯片SG3525A,以及高壓懸浮驅動(dòng)器IR2110,用功率開(kāi)關(guān)器件IGBT模塊方案實(shí)現高頻逆變電源。另外,用單片機控制技術(shù)對此電源進(jìn)行控制,使整個(gè)系統結構簡(jiǎn)單,并實(shí)現了系統的數字智能化。 SG3525A性能和結構 SG3525A是電壓型PWM集成控制器,外接元 器件少,性能好,包括開(kāi)關(guān)穩壓所需的全部控制電路。其主要特性包括:外同步、軟啟動(dòng)功能;死區調節、欠壓鎖定功能;誤差放大以及關(guān)閉輸出驅動(dòng) 信號等功能;輸出級采用推挽式電路結構,關(guān)斷速度快,輸出電流±400mA;可提供精密度為5V±1%的基準電壓;開(kāi)關(guān)頻率范圍100Hz"400KHz。其內部結構主要包括基準電壓源、欠壓鎖定電路、鋸齒波振蕩器、誤差放大器等,如圖1所示。 圖1 SG3525A內部框圖及引腳功能 IR2110性能和結構 IR2110是美國IR公司生產(chǎn)的高壓、高速PMOSFET和IGBT的理想驅動(dòng)器。該芯片采用HVIC和閂鎖抗干擾制造工藝,集成DIP、SOIC封裝。其主要特性包括:懸浮通道電源采用自舉電路,其電壓最高可達500V;功率器件柵極驅動(dòng)電壓范圍10V"20V;輸出電流峰值為2A; 邏輯電源范圍5V"20V,而且邏輯電源地和功率地之間允許+5V的偏移量;帶有下拉電阻的COMS施密特輸入端,可以方便地與LSTTL和CMOS電平匹配;獨立的低端和高端輸入通道,具有欠電壓同時(shí)鎖定兩通道功能; 兩通道的匹配延時(shí)為10ns;開(kāi)關(guān)通斷延時(shí)小,分別為120ns和90ns;工作頻率達500kHz。其內部結構主要包括邏輯輸入,電平轉換及輸出保護等,如圖2所示。 圖2 IR2110內部框圖及引腳功能 設計原理 高壓側懸浮驅動(dòng)的自舉原理 IR2110用于驅動(dòng)半橋的電路如圖3所示。圖中C1、VD1分別為自舉電容和二極管,C2為VCC的濾波電容。假定在S1關(guān)斷期間,C1已充到足夠的電壓VC1≈VCC。當HIN為高電平時(shí),VM1開(kāi)通,VM2關(guān)斷,VC1加到S1的門(mén)極和發(fā)射極之間,C1通過(guò)VM1、Rg1和S1門(mén)極柵極電容Cgc1放電,Cgc1被充電。此時(shí)VC1可等效為一個(gè)電壓源。當HIN為低電平時(shí),VM2開(kāi)通,VM1斷開(kāi),S1柵極電荷經(jīng)Rg1、VM2迅速釋放,S1關(guān)斷。經(jīng)短暫的死區時(shí)間(td)之后,LIN為高電平,S2開(kāi)通,VCC經(jīng)VD1、S2給C1充電,迅速為C1補充能量。如此循環(huán)反復。 圖3 驅動(dòng)半橋自舉電路 自舉元件設計 自舉二極管(VD1)和電容(C1)是IR2110在PWM應用時(shí)需要嚴格挑選和設計的元器件,應根據一定的規則對其進(jìn)行調整,使電路工作在最佳狀態(tài)。 在工程應用中,取自舉電容C1>2Qg/(VCC-10-1.5)。式中,Qg為IGBT門(mén)極提供的柵電荷。假定自舉電容充電路徑上有1.5V的壓降(包括VD1的正向壓降),則在器件開(kāi)通后,自舉電容兩端電壓比器件充分導通所需要的電壓(10V)要高。 同時(shí),在選擇自舉電容大小時(shí),應綜合考慮懸浮驅動(dòng)的最寬導通時(shí)間ton(max)和最窄導通時(shí)間ton(min)。導通時(shí)間既不能太大影響窄脈沖的驅動(dòng)性能,也不能太小而影響寬脈沖的驅動(dòng)要求。根據功率器件的工作頻率、開(kāi)關(guān)速度、門(mén)極特性對導通時(shí)間進(jìn)行選擇,估算后經(jīng)調試而定。 VD1主要用于阻斷直流干線(xiàn)上的高壓,其承受的電流是柵極電荷與開(kāi)關(guān)頻率之積。為了減少電荷損失,應選擇反向漏電流小的二極管。 運用SG3525A和IR2110構成的高頻逆變主電路圖 高頻逆變主電路如圖4所示,逆變高壓電路由全橋驅動(dòng)組成。功率開(kāi)關(guān)Q1"Q4采用IGBT模塊。逆變主電路把直流電壓V1轉換為20kHz的高頻矩形波交流電壓送到高頻高壓變壓器T1,經(jīng)升壓整流濾波后提供給負載供電。電路通過(guò)控制PWM1和PWM2的占空比,來(lái)得到脈寬可調的矩形波交流電壓。VF為高壓采樣端反饋到控制系統的電壓。 圖 4 高壓逆變主電路圖 單片機組成的控制系統 圖5所示為完整的高壓逆變電源系統框圖,它主要包括主電路及控制電路兩部分。主電路主要包括逆變器直流電源、IGBT橋式逆變器、保護電路、高頻高壓變壓器、高頻高壓硅堆(高頻整流器)等?刂齐娐分饕娏、電壓采樣及其處理單元,PWM信號產(chǎn)生和驅動(dòng)電路,單片機控制器,參數輸入鍵盤(pán)及液晶顯示,通信接口等部分。為了更好的解決系統的干擾、隔離、電磁兼容等問(wèn)題,在控制部分和主電路采用光耦完全隔離。此硬件系統配上軟件系統,可使整個(gè)系統具有完整的人機界面和自診斷等智能化功能。 圖5 單片機控制的逆變系統 結語(yǔ) 由PWM控制芯片SG3525A和高壓驅動(dòng)器IR2110組成的高頻逆變電源,具有體積小、控制方便、電能利用效率高等優(yōu)點(diǎn)。此系統目前已被用于醫療設備的高頻電源。 |