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[導(dǎo)讀]摘要:簡要分析了UC3637雙PWM控制器和IR2110的特點,工作原理。由UC3637和IR2110共同構(gòu)建一種高壓大功率小信號放大電路,并通過實驗驗證了其可行性。 關(guān)鍵詞:小信號放大器;雙脈寬調(diào)制;懸浮驅(qū)動;高壓大功率    

摘要:簡要分析了UC3637雙PWM控制器和IR2110的特點,工作原理。由UC3637和IR2110共同構(gòu)建一種高壓大功率信號放大電路,并通過實驗驗證了其可行性。

關(guān)鍵詞:小信號放大器;雙脈寬調(diào)制;懸浮驅(qū)動;高壓大功率

   

0    引言

    現(xiàn)有的很多小信號放大電路都是由晶體管或MOS管的放大電路構(gòu)成,其功率有限,不能把電路的功率做得很大。隨著現(xiàn)代逆變技術(shù)的逐步成熟,尤其是SPWM逆變技術(shù),使信號波形能夠很好地在輸出端重現(xiàn),并且可以做到高電壓,大電流,大功率。SPWM技術(shù)的實現(xiàn)方法有兩種,一種是采用模擬集成電路完成正弦調(diào)制波與三角波載波的比較,產(chǎn)生SPWM信號;另一種是采用數(shù)字方法。隨著應(yīng)用的深入和集成技術(shù)的發(fā)展,已商品化的專用集成電路(ASIC)和專用單片機(8X196/MC/MD/MH)以及DSP,可以使控制電路結(jié)構(gòu)簡化,集成度高。由于數(shù)字芯片一般價格比較高,所以在此采用模擬集成電路。主電路采用全橋逆變結(jié)構(gòu),SPWM波的產(chǎn)生采用UC3637雙PWM控制芯片,并采用美國IR公司推出的高壓浮動驅(qū)動集成模塊IR2110,從而減小了裝置的體積,降低了成本,提高了系統(tǒng)的可靠性。經(jīng)本電路放大后,信號可達3kV,并保持了良好的輸出波形。

1    UC3637的原理與基本功能

    UC3637的原理框圖如圖1所示。其內(nèi)部包含有一個三角波振蕩器,誤差放大器,兩個PWM比較器,輸出控制門,逐個脈沖限流比較器等。

圖1    UC3637原理框圖

    UC3637可單電源或雙電源工作,工作電壓范圍±(2.5~20)V,特別有利于雙極性調(diào)制;雙路PWM信號,圖騰柱輸出,供出或吸收電流能力100mA;逐個脈沖限流;內(nèi)藏線性良好的恒幅三角波振蕩器;欠壓封鎖;有溫度補償;2.5V閾值控制。

    UC3637最具特色的是三角波振蕩器,三角波產(chǎn)生電路如圖2所示。三角波參數(shù)按式(1)及式(2)計算。

    Is=(1)

    f=(2)

式中:VTH為三角波峰值的轉(zhuǎn)折(閾值)電壓;

      Vs為電源電壓;

      RT為定時電阻;

      CT為定時電容;

      Is為恒流充電電流;

      f為振蕩頻率。

圖2    三角波產(chǎn)生電路

    UC3637具有一個高速、帶寬為1MHz、輸出低阻抗的誤差放大器,既可以作為一般的快速運放,亦可作為反饋補償運放。UC3637實現(xiàn)其主要功能的就是兩個PWM比較器,實現(xiàn)電路如圖3所示。其他還有如欠壓封鎖,2.5V閾值控制等功能,這些功能在應(yīng)用電路中也給予實現(xiàn)。

圖3    PWM產(chǎn)生電路

2    IR2110的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用

    IR2110的內(nèi)部功能框圖如圖4所示。它由三個部分組成:邏輯輸入,電平平移及輸出保護。

圖4    IR2110內(nèi)部功能框圖

    IR2110具有獨立的低端和高端輸入通道;懸浮電源采用自舉電路,其高端工作電壓可達600V,在15V下靜態(tài)功耗僅116mW;輸出的電源端(腳3Vcc,即功率器件的柵極驅(qū)動電壓)電壓范圍10~20V;邏輯電源電壓范圍(腳9VDD)3.3~20V,可方便地與TTL或CMOS電平相匹配,而且邏輯電源地和功率地之間允許有±5V的偏移量;工作頻率高,可達100kHz;開通、關(guān)斷延遲小,分別為120ns和94ns;圖騰柱輸出峰值電流為2A。

    下面分析高壓側(cè)懸浮驅(qū)動的自舉原理。

    IR2110用于驅(qū)動半橋的電路如圖5所示。圖中C1及VD1分別為自舉電容和二極管,C2Vcc的濾波電容。假定在S1關(guān)斷期間C1已充到足夠的電壓(Vc1Vcc)。當(dāng)腳10(HIN)為高電平時VM1開通,VM2關(guān)斷,Vc1加到S1的門極和發(fā)射極之間,C1通過VM1,Rg1和S1柵極-發(fā)射極電容Cge1放電,Cge1被充電。此時Vc1可等效為一個電壓源。當(dāng)腳10(HIN)為低電平時,VM2開通,VM1斷開,S1柵電荷經(jīng)Rg1,VM2迅速釋放,S1關(guān)斷。經(jīng)短暫的死區(qū)時間(td)之后,腳12(LIN)為高電平,S2開通,Vcc經(jīng)VD1,S2C1充電,迅速為C1補充能量。如此循環(huán)反復(fù)。

圖5    IR2110用于驅(qū)動半橋的電路

 

    IR2110的不足是保護功能不夠及其自身不具有負(fù)偏壓。為此,給它外加了一個負(fù)偏壓電路,具體見圖6。

圖6    采用IR2110驅(qū)動電路

3    應(yīng)用UC3637和IR2110構(gòu)成控制驅(qū)動電路

    圖6是IR2110構(gòu)成的驅(qū)動電路。由圖6可見用兩片IR2110可以驅(qū)動一個逆變?nèi)珮螂娐?,它們可以共用同一個驅(qū)動電源而不須隔離,使驅(qū)動電路極其簡化。IR2110本身不能產(chǎn)生負(fù)偏壓。由驅(qū)動電路可見本電路在每個橋臂各加了負(fù)偏壓電路,以左半部為例,其工作過程如下:VDD上電后通過R1C1充電,并在VW1的鉗位下形成+5.1V電壓Vc1,當(dāng)IR2110的腳1(LO)輸出為高電平時,下管有(VDD-5.1)V的驅(qū)動電壓,同時在下管關(guān)斷時下管的柵源之間形成一個-5.1V的偏壓;下管開通同時腳1(LO)輸出高電平通過Rg2,R2開通MOSFET讓C3進行充電;當(dāng)IR2110的腳7(HO)輸出為高電平時,由C3放電提供上管開通電流,同時給C2充電并由VW2鉗位+5.1V,下管關(guān)斷時Vc2即形成負(fù)偏壓。為了只用IR2110的保護功能,把腳11(SD)端接地。

    圖7是用UC3637產(chǎn)生PWM波的電路。由圖7可知,這是一個開環(huán)小信號放大電路,因為,小信號的電壓幅值相對三角波幅值過低,所以,小信號先經(jīng)過UC3637本身的Error運算放大器進行放大,使其幅值約等于三角波的幅值。本電路沒有利用UC3637做死區(qū),而是單獨作了一個死區(qū)延時。然后把放大的信號直接和三角波進行比較,分別在UC3637的腳4及腳7輸出反相的SPWM波,經(jīng)過死區(qū)延時電路、濾雜波電路、隔離電路送到IR2110驅(qū)動芯片。

圖7    采用UC3637的PWM產(chǎn)生電路

    設(shè)計電路應(yīng)注意以下問題:

    1)UC3637的RT和CT要適當(dāng)選擇,避免RT上的電流過大,損壞片子;

    2)驅(qū)動電路中C2值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上管的柵源極之間的極間電容值;

    3)IR2110的自舉元件電容的選擇取決于開關(guān)頻率,VDD及功率MOSFET的柵源極的充電需要,二極管的耐壓值必須高于峰值電壓,其功耗應(yīng)盡可能小并能快速恢復(fù);

    4)IR2110的驅(qū)動脈沖上升沿取決于Rg,Rg值不能過大以免使其驅(qū)動脈沖的上升沿不陡,但也不能使驅(qū)動均值電流過大以免損壞IR2110;

    5)當(dāng)PWM產(chǎn)生電路是模擬電路時可以直接把信號接到IR2110;當(dāng)用采數(shù)字信號時要考慮隔離;

    6)注意直流偏磁問題。

4    實驗結(jié)果

    由一個信號發(fā)生器模擬輸入,UC3637產(chǎn)生63kHz的三角波,直流母線電壓是220V。本電路分別在假性負(fù)載和壓電陶瓷負(fù)載下做實驗,輸出端輸出很好的放大信號。

    圖8是在實驗室做單頻正弦輸入信號上下功率MOSFET的驅(qū)動波形,圖9是逆變橋的輸出。圖10也是輸出波形(時間參數(shù)變化),圖11是M=0.1時帶假性負(fù)載的負(fù)載波形。

圖8    上下開關(guān)管驅(qū)動波形

圖9    逆變橋輸出波形(量程所限)

圖10    逆變橋輸出波形

圖11    負(fù)載波形

    真正的信號是一個隨機的信號,負(fù)載是一個壓電換聲器,本電路在M≌1.0,變壓器變比為1∶7時,能使小信號放大到峰值3.2kV,輸出有效值能到680V,放大信號失真很小,滿足技術(shù)要求。由于高壓示波器沒有接口,而未能把負(fù)載兩端的波形拍出來。

5    結(jié)語

    1)UC3637采用為數(shù)不多的集成電路,就可構(gòu)成一個完整的逆變控制電路,控制電路簡單、實用,硬件投資不高,使用證明性能穩(wěn)定,可靠;

    2)UC3637和IR2110具有很高的抗干擾性能,一片IR2110在較大功率下可安全驅(qū)動功率MOSFET或IGBT的半橋;

    3)由于IR2110具有雙通道驅(qū)動特性,且電路簡單,使用方便,價格相對EXB841便宜,具有較高的性價比。

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