靜電感應(yīng)晶閘管在電源電路中的應(yīng)用研究

????? 1 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，我們對國產(chǎn)SITH器件的基本特性作了研究，并研制了四種驅(qū)動電路。在這四種電路驅(qū)動下，SITH器件取得了0.2 ms以下的開關(guān)速度?，F(xiàn)進一步將驅(qū)動電路及SITH器件一起擴展成實際的開關(guān)電源應(yīng)用電路，經(jīng)測試，得到了比較先進的性能指標(biāo)。這樣，對SITH器件的應(yīng)用研究就更加全面，使得對它的推廣應(yīng)用打下扎實的基礎(chǔ)。

　　2 電路研究

　　2.1 應(yīng)用電路（一）

　　該應(yīng)用電路是一個開關(guān)電源，是鑒于以下幾點考慮而設(shè)計的：（1）針對電機調(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，避開其弱點。

　　這里采用了BOOST變換程式（圖1）。圖中 R1：1kΩ；R2：20Ω；R3：10kΩ；R 4：5kΩ；R5：5kΩ；R6：800kΩ；R7：10k Ω；R8：20kΩ；R9：1MΩ；R10：0.2 Ω；R11：50kΩ；R12：10kΩ；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高頻電感；L2：2mH/ 1A高頻電感；IC：UC3852。

　　UC3852的詳細(xì)工作原理請參閱Texas Instruments公司有關(guān)資料。要著重指出的是， UC3852是一種專門用來提高輸入功率因數(shù)的開關(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， 控制開關(guān)管以一個恒定的時間Ton導(dǎo)通，導(dǎo)通時電感L2承受全部交流輸入電壓Vin 。在Ton結(jié)束時， 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檢測到Iin衰減到零時，又控制開關(guān)管導(dǎo)通，進入下一個Ton，見圖2。

　　圖中， 上部是UC3852的驅(qū)動波形， 高電平是驅(qū)動開關(guān)管導(dǎo)通，高電平的時間Ton 是恒定的；下部是輸入電壓Vin和輸入電流 Iin的波形。在Ton時段內(nèi)，Iin線性上升， 上升的速率與當(dāng)時的Vin值成正比， 由于每次都是從零開始， 因此Iin的峰值也與Vin 成正比。實際上，UC3852的工作頻率要比圖中表示的高得多，約25kHz。因此可認(rèn)為在每個三角形區(qū)段Vin恒定， 則Iin的平均值也正比于V in，經(jīng)過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的簡單工作原理。

　　圖1的電路參數(shù)構(gòu)成一個輸出為100W的電路， SITH管為主開關(guān)，采用驅(qū)動電路（一）的方案，由Q1、Q2、Q3和Q4組成SITH管的驅(qū)動電路； 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， 它的好處是開關(guān)管總是從零電流開始導(dǎo)通，最終達到二倍的平均電流， 從而使SITH管避開了導(dǎo)通慢的弱點， 又發(fā)揚了其大電流性能好的優(yōu)點。它又使二極管D2在正向電流到零后再承受反壓， 避開了反向恢復(fù)損耗的問題。D2的作用是阻止輸出電容 C5向L2和SITH管放電， 它正向流過的就是負(fù)載電流， 而反向承受的是400V電壓。測試中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)斷時也承受400V的反壓， 對它來說余量較大，也是優(yōu)勢所在。

　　測得其主要指標(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：1610Ω；輸出功率：104W； 效率：0.94。由此看來，SITH器件及其驅(qū)動電路滿足了要求，結(jié)果是令人滿意的。

　　然而，SITH管在工作時大約有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，開機5分鐘內(nèi)表面溫升達50℃， 輸入功率增加了3W。 后來， 改用帶有風(fēng)扇的CPU散熱器， 風(fēng)扇功率1W， 開機15分鐘后，表面溫升仍不迢過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，開關(guān)損耗隨溫度升高而增加。若散熱不好，會形成惡性循環(huán)。頻繁的高溫差變化還會使焊錫過早脆化， 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最重要的手段。由于SITH管具有較強的過流能力， 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， 又沒能與輸入隔離， 往往需要加后級電路。本應(yīng)用電路（二）是在電路（一）基礎(chǔ)上加以改動， 將輸出隔離， 又能調(diào)整電壓， 見圖3。圖中：R1：1kΩ；R2：20Ω；R 3：10kΩ；R4：5kΩ；R5：5kΩ；R6：800kΩ；R7：10kΩ；R8：20kΩ；R9：1MΩ ；R10：0.2Ω；R11：50kΩ；R12：10k Ω；R13：20kΩ/3W；R14：40Ω/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；L3：500mH/ 2A高頻電感；Tr：高頻變壓器；匝比：2:1×2；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，然后耦合到次級改變了電壓，再經(jīng)過整流濾波輸出。次級分成兩個線圈，分別通過不同的整流濾波環(huán)節(jié)，這是因為通過 C10的交流方波，是不對稱的， 正向部分實際上是電感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， 上沖十分強烈， 對器件很不利， 同時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)大量試驗表明， 這種衰減的能耗相當(dāng)大， 是以降低效率為代價的。本試驗中吸收環(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。因此在沒解決高效吸收問題之前， 該電路應(yīng)考慮在小功率應(yīng)用。

　　2.3 應(yīng)用電路（三）

　　這是一個交流開關(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SITH管取代。它具有過零開通和過零關(guān)斷的功能， 以減小對電網(wǎng)的沖擊，在需要時也可以立即關(guān)斷。由于使用了SITH管， 才具有強迫關(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，它可以與單片機配合使用。這里僅提供強電部分原理圖（圖4）。圖中：R1、R2：1kΩ； R3：10kΩ；R4：200Ω； R5、R6、R7：5.1kΩ； 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/9V×2～3W。

　　圖中， 兩只SITH管反串聯(lián)， 而各自又與一個二極管反并聯(lián)， 兩只SITH管同時導(dǎo)通或同時關(guān)斷，形成了交流開關(guān)。IC1比較器產(chǎn)生過零脈沖信號， 作為IC2 D觸發(fā)器的時鐘信號， 因此IC2只能在交流電壓過零時改變輸出。它的一對互補輸出分別控制SITH管的柵極注入和VDMOS管， 也就控制了交流開關(guān)的過零導(dǎo)通和關(guān)斷。強迫關(guān)斷信號直接控制D觸發(fā)器的R復(fù)位端， 立即關(guān)斷交流開關(guān)。控制信號通過光耦輸入， 這是為了防止干擾。