基于SG3525A和IR2110的高頻逆變電源設(shè)計(jì)

摘  要：本文簡(jiǎn)述了PWM控制芯片SG3525A和高壓驅(qū)動(dòng)器IR2110的性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)詳細(xì)介紹了采用以SG3525A為核心器件的高頻逆變電源設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：PWM；SG3525A；IR2110；高頻逆變電源

引言
    隨著PWM技術(shù)在變頻、逆變頻等領(lǐng)域的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，以及IGBT、PowerMOSFET等功率性開關(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(qū)動(dòng)器IR2110，用功率開關(guān)器件IGBT模塊方案實(shí)現(xiàn)高頻逆變電源。另外，用單片機(jī)控制技術(shù)對(duì)此電源進(jìn)行控制，使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的數(shù)字智能化。

SG3525A性能和結(jié)構(gòu)
    SG3525A是電壓型PWM集成控制器，外接元 器件少，性能好，包括開關(guān)穩(wěn)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(qū)調(diào)節(jié)、欠壓鎖定功能；誤差放大以及關(guān)閉輸出驅(qū)動(dòng) 信號(hào)等功能；輸出級(jí)采用推挽式電路結(jié)構(gòu)，關(guān)斷速度快，輸出電流±400mA；可提供精密度為5V±1%的基準(zhǔn)電壓；開關(guān)頻率范圍100Hz~400KHz。

    其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括基準(zhǔn)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(nèi)部框圖及引腳功能

IR2110性能和結(jié)構(gòu)
    IR2110是美國(guó)IR公司生產(chǎn)的高壓、高速PMOSFET和IGBT的理想驅(qū)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(dá)500V；功率器件柵極驅(qū)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(dú)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；開關(guān)通斷延時(shí)小，分別為120ns和90ns;工作頻率達(dá)500kHz。

    其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括邏輯輸入，電平轉(zhuǎn)換及輸出保護(hù)等，如圖2所示。

圖2  IR2110內(nèi)部框圖及引腳功能

設(shè)計(jì)原理
高壓側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)的自舉原理
    IR2110用于驅(qū)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(dāng)HIN為高電平時(shí)，VM1開通，VM2關(guān)斷，VC1加到S1的門極和發(fā)射極之間，C1通過(guò)VM1、Rg1和S1門極柵極電容Cgc1放電，Cgc1被充電。此時(shí)VC1可等效為一個(gè)電壓源。當(dāng)HIN為低電平時(shí)，VM2開通，VM1斷開，S1柵極電荷經(jīng)Rg1、VM2迅速釋放，S1關(guān)斷。經(jīng)短暫的死區(qū)時(shí)間(td)之后，LIN為高電平，S2開通，VCC經(jīng)VD1、S2給C1充電，迅速為C1補(bǔ)充能量。如此循環(huán)反復(fù)。

圖3 驅(qū)動(dòng)半橋自舉電路


自舉元件設(shè)計(jì)
    自舉二極管(VD1)和電容(C1)是IR2110在PWM應(yīng)用時(shí)需要嚴(yán)格挑選和設(shè)計(jì)的元器件，應(yīng)根據(jù)一定的規(guī)則對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，使電路工作在最佳狀態(tài)。

    在工程應(yīng)用中，取自舉電容C1>2Qg/(VCC-10-1.5)。式中，Qg為IGBT門極提供的柵電荷。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
通后，自舉電容兩端電壓比器件充分導(dǎo)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(yīng)綜合考慮懸浮驅(qū)動(dòng)的最寬導(dǎo)通時(shí)間ton(max)和最窄導(dǎo)通時(shí)間ton(min)。導(dǎo)通時(shí)間既不能太大影響窄脈沖的驅(qū)動(dòng)性能，也不能太小而影響寬脈沖的驅(qū)動(dòng)要求。根據(jù)功率器件的工作頻率、開關(guān)速度、門極特性對(duì)導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)行選擇，估算后經(jīng)調(diào)試而定。

    VD1主要用于阻斷直流干線上的高壓，其承受的電流是柵極電荷與開關(guān)頻率之積。為了減少電荷損失，應(yīng)選擇反向漏電流小的二極管。

    運(yùn)用SG3525A和IR2110構(gòu)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(qū)動(dòng)組成。功率開關(guān)Q1~Q4采用IGBT模塊。逆變主電路把直流電壓V1轉(zhuǎn)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(fù)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(diào)的矩形波交流電壓。VF為高壓采樣端反饋到控制系統(tǒng)的電壓。

圖 4  高壓逆變主電路圖


單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)
    圖5所示為完整的高壓逆變電源系統(tǒng)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(hù)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娏鳌㈦妷翰蓸蛹捌涮幚韱卧?，PWM信號(hào)產(chǎn)生和驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)控制器，參數(shù)輸入鍵盤及液晶顯示，通信接口等部分。為了更好的解決系統(tǒng)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(tǒng)配上軟件系統(tǒng)，可使整個(gè)系統(tǒng)具有完整的人機(jī)界面和自診斷等智能化功能。

圖5  單片機(jī)控制的逆變系統(tǒng) 

結(jié)語(yǔ)
    由PWM控制芯片SG3525A和高壓驅(qū)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(tǒng)目前已被用于醫(yī)療設(shè)備的高頻電源。
  
參考文獻(xiàn)：
1 智能化高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)[J]. 電力電子技術(shù). 1996.30(3)
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