一種新型高壓大功率小信號(hào)放大電路

摘要：簡(jiǎn)要分析了UC3637雙PWM控制器和IR2110的特點(diǎn)，工作原理。由UC3637和IR2110共同構(gòu)建一種高壓大功率小信號(hào)放大電路，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。

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

0    引言

    現(xiàn)有的很多小信號(hào)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(hào)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(shí)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(hào)；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(jī)（8X196/MC/MD/MH）以及DSP，可以使控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，集成度高。由于數(shù)字芯片一般價(jià)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(guó)IR公司推出的高壓浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(hào)可達(dá)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(gè)三角波振蕩器，誤差放大器，兩個(gè)PWM比較器，輸出控制門，逐個(gè)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(hào)，圖騰柱輸出，供出或吸收電流能力100mA；逐個(gè)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(bǔ)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(jì)算。

    I_s=（1）

    f=（2）

式中：V_TH為三角波峰值的轉(zhuǎn)折（閾值）電壓；

      V_s為電源電壓；

      R_T為定時(shí)電阻；

      C_T為定時(shí)電容；

      I_s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(gè)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(yùn)放，亦可作為反饋補(bǔ)償運(yùn)放。UC3637實(shí)現(xiàn)其主要功能的就是兩個(gè)PWM比較器，實(shí)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(shí)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(gè)部分組成：邏輯輸入，電平平移及輸出保護(hù)。

圖4    IR2110內(nèi)部功能框圖

    IR2110具有獨(dú)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(dá)600V，在15V下靜態(tài)功耗僅116mW；輸出的電源端（腳3V_cc，即功率器件的柵極驅(qū)動(dòng)電壓）電壓范圍10～20V；邏輯電源電壓范圍（腳9V_DD）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(dá)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。 [!--empirenews.page--]

    下面分析高壓側(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5所示。圖中C₁及V_D1分別為自舉電容和二極管，C₂為V_cc的濾波電容。假定在S₁關(guān)斷期間C₁已充到足夠的電壓（V_c1≈V_cc）。當(dāng)腳10（HIN）為高電平時(shí)V_M1開通，V_M2關(guān)斷，V_c1加到S₁的門極和發(fā)射極之間，C₁通過V_M1，R_g1和S₁柵極－發(fā)射極電容C_ge1放電，C_ge1被充電。此時(shí)V_c1可等效為一個(gè)電壓源。當(dāng)腳10（HIN）為低電平時(shí)，V_M2開通，V_M1斷開，S₁柵電荷經(jīng)R_g1，V_M2迅速釋放，S₁關(guān)斷。經(jīng)短暫的死區(qū)時(shí)間（t_d）之后，腳12（LIN）為高電平,S₂開通，V_cc經(jīng)V_D1，S₂給C₁充電，迅速為C₁補(bǔ)充能量。如此循環(huán)反復(fù)。

圖5    IR2110用于驅(qū)動(dòng)半橋的電路

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

圖6    采用IR2110驅(qū)動(dòng)電路

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

    圖6是IR2110構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路。由圖6可見用兩片IR2110可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)逆變?nèi)珮螂娐?，它們可以共用同一個(gè)驅(qū)動(dòng)電源而不須隔離，使驅(qū)動(dòng)電路極其簡(jiǎn)化。IR2110本身不能產(chǎn)生負(fù)偏壓。由驅(qū)動(dòng)電路可見本電路在每個(gè)橋臂各加了負(fù)偏壓電路，以左半部為例，其工作過程如下：V_DD上電后通過R₁給C₁充電，并在V_W1的鉗位下形成＋5.1V電壓V_c1，當(dāng)IR2110的腳1（LO）輸出為高電平時(shí)，下管有（V_DD－5.1）V的驅(qū)動(dòng)電壓，同時(shí)在下管關(guān)斷時(shí)下管的柵源之間形成一個(gè)－5.1V的偏壓；下管開通同時(shí)腳1（LO）輸出高電平通過R_g2，R₂開通MOSFET讓C₃進(jìn)行充電;當(dāng)IR2110的腳7（HO）輸出為高電平時(shí)，由C₃放電提供上管開通電流，同時(shí)給C₂充電并由V_W2鉗位＋5.1V，下管關(guān)斷時(shí)V_c2即形成負(fù)偏壓。為了只用IR2110的保護(hù)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(gè)開環(huán)小信號(hào)放大電路，因?yàn)?，小信?hào)的電壓幅值相對(duì)三角波幅值過低，所以，小信號(hào)先經(jīng)過UC3637本身的Error運(yùn)算放大器進(jìn)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(dú)作了一個(gè)死區(qū)延時(shí)。然后把放大的信號(hào)直接和三角波進(jìn)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(shí)電路、濾雜波電路、隔離電路送到IR2110驅(qū)動(dòng)芯片。

圖7    采用UC3637的PWM產(chǎn)生電路

    設(shè)計(jì)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(dòng)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，V_DD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(dòng)脈沖上升沿取決于R_g，R_g值不能過大以免使其驅(qū)動(dòng)脈沖的上升沿不陡，但也不能使驅(qū)動(dòng)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(shí)可以直接把信號(hào)接到IR2110；當(dāng)用采數(shù)字信號(hào)時(shí)要考慮隔離；

    6）注意直流偏磁問題。 [!--empirenews.page--]

4    實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    由一個(gè)信號(hào)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(shí)驗(yàn)，輸出端輸出很好的放大信號(hào)。

    圖8是在實(shí)驗(yàn)室做單頻正弦輸入信號(hào)上下功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)波形，圖9是逆變橋的輸出。圖10也是輸出波形（時(shí)間參數(shù)變化），圖11是M=0.1時(shí)帶假性負(fù)載的負(fù)載波形。

圖8    上下開關(guān)管驅(qū)動(dòng)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(hào)是一個(gè)隨機(jī)的信號(hào)，負(fù)載是一個(gè)壓電換聲器，本電路在M≌1.0，變壓器變比為1∶7時(shí)，能使小信號(hào)放大到峰值3.2kV，輸出有效值能到680V，放大信號(hào)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(gè)完整的逆變控制電路，控制電路簡(jiǎn)單、實(shí)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(dòng)功率MOSFET或IGBT的半橋；

    3）由于IR2110具有雙通道驅(qū)動(dòng)特性，且電路簡(jiǎn)單，使用方便，價(jià)格相對(duì)EXB841便宜，具有較高的性價(jià)比。