功率穩(wěn)壓逆變電源

本文介紹了一種功率穩(wěn)壓逆變電源，具有工作穩(wěn)定可靠、輸入功率因數(shù)高、輸出精 度高、波形失真度小、效率高的優(yōu)點(diǎn)。

采用 PWM 穩(wěn)壓系統(tǒng)，可使啟動(dòng)瞬間降壓幅度明顯減小。無(wú)論電風(fēng)扇還是電冰箱，應(yīng)用逆變電源供電時(shí)，均應(yīng)在逆變器輸出端增設(shè)圖 1 中的 LC 濾波器，以改善波形，避免脈沖上升沿尖峰擊穿電機(jī)繞組。

采用雙極型開(kāi)關(guān)管的逆變器，基極驅(qū)動(dòng)電流基本上為開(kāi)關(guān)電流的 1/ β，因此大電流開(kāi)關(guān)電路必須采用多級(jí)放大，不僅使電路復(fù)雜化，可靠性也變差而且隨著輸出功 率的增大，開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電流需大于集電極電流的 1/β， 致使普通驅(qū)動(dòng) IC 無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)。 雖說(shuō)采用多級(jí)放大可以達(dá)到目的， 但是波形失真卻明顯增大， 從而導(dǎo)致開(kāi) 關(guān)管的導(dǎo)通/截止損耗也增大。 目前解決大功率逆變電源及 UPS 的驅(qū)動(dòng)方案，大多采用 MOSFET 管作開(kāi)關(guān)器件。

MOSFET 的驅(qū)動(dòng)

近年來(lái)， 隨著 MOSFET 生產(chǎn)工藝的改進(jìn)， 各種開(kāi)關(guān)電源、 變換器都廣泛采用 MOSFET 管作為高頻高壓開(kāi)關(guān)電路， 但是， 專用于驅(qū)動(dòng) MOSFET 管的集成電 路國(guó)內(nèi)極少見(jiàn)。 驅(qū)動(dòng) MOSFET管的要求是，低輸出阻抗，內(nèi)設(shè)灌電流驅(qū)動(dòng)電路。所以，普通用于雙極型開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng) IC不能直接用于驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管。

目前就世界范圍來(lái)說(shuō)，可直接驅(qū)動(dòng) MOSFET 管的 IC 品種仍不多，單端驅(qū)動(dòng)器常用的 是UC3842 系列， 而用于推挽電路雙端驅(qū)動(dòng)器有 SG3525A(驅(qū)動(dòng) N 溝道場(chǎng)效應(yīng)管)、 SG3527A(驅(qū)動(dòng) P 溝道場(chǎng)效應(yīng)管) 和 SG3526N(驅(qū)動(dòng) N 溝道場(chǎng)效應(yīng)管)。然而在開(kāi)關(guān)電源快速發(fā)展的近 40年中，畢竟有了一大批 優(yōu)秀的、功能完善的雙端輸出驅(qū)動(dòng) IC.同時(shí)隨著 MOSFET 管應(yīng)用普及，又開(kāi)發(fā)了不少新電路，可將其用于驅(qū)動(dòng) MOSFET 管，解決 MOSFET 的驅(qū)動(dòng)無(wú)非 包括兩個(gè)內(nèi)容： 一是降低驅(qū)動(dòng) IC 的輸出阻抗; 二是增設(shè) MOSFET 管的灌電流通路。 為此， 不妨回顧 SG3525A、SG3527A、SG3526N 以及單 端驅(qū)動(dòng)器 UC3842 系列的驅(qū)動(dòng)級(jí)。

圖 2a 為上述 IC 的驅(qū)動(dòng)輸出電路(以其中一路輸出為例)。振蕩器的輸出脈沖經(jīng)或非門，將脈沖上升沿和下降沿輸出兩路時(shí)序不同的驅(qū)動(dòng)脈沖。在脈沖正程期 間，Q1 導(dǎo)通，Q2 截止，Q1 發(fā)射極輸出的正向脈沖， 向開(kāi)關(guān)管柵極電容充電， 使漏-源極很快達(dá)到導(dǎo)通閾值。 當(dāng)正程脈沖過(guò)后， 若開(kāi)關(guān)管柵-源極間充電電荷不 能快速放完， 將使漏源極驅(qū)動(dòng)脈沖不能立即截止。為此，Q1 截止后，或非門立即使 Q2 導(dǎo)通，為柵源極電容放電提供通路。此驅(qū)動(dòng)方式中，Q1 提供驅(qū)動(dòng)電 流，Q2 提供灌電流(即放電電流)。Q1 為發(fā)射極輸出器，其本身具有極低的輸出阻抗。

為了達(dá)到上述要求，將普通用于雙極型開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)輸出接入圖 2b 的外設(shè)驅(qū)動(dòng)電路，也可以滿足 MOSFET 管的驅(qū)動(dòng)要求。 設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)雙極型開(kāi)關(guān)管的集成電路， 常 采用雙端圖騰柱式輸出兩路脈沖，即兩路輸出脈沖極性是相同的，以驅(qū)動(dòng)推挽的兩只 NPN 型三極管。為了讓推挽兩管輪流導(dǎo)通，兩路驅(qū)動(dòng)脈沖的時(shí)間次序不同。如 果第一路輸出正脈沖，經(jīng)截止后，過(guò)一死區(qū)時(shí)間， 第二路方開(kāi)始輸出。 兩路驅(qū)動(dòng)級(jí)采用雙極型三極管集射極開(kāi)路輸出， 以便于取得不同的脈沖極性，用于驅(qū)動(dòng) NPN 型或 PNP 型開(kāi)關(guān)管。

前級(jí)驅(qū)動(dòng) IC 內(nèi)部緩沖器的發(fā)射極，在負(fù)載電阻 R1 上建立未倒相的正極性驅(qū)動(dòng)脈沖使三極管 Q 截止。在驅(qū)動(dòng)脈沖上升沿開(kāi)始，正極性脈沖通過(guò)二極管 D 加到 MOSFET 開(kāi)關(guān)管柵-源極，對(duì)柵源極電容 CGS 充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到開(kāi)關(guān)管柵極電壓閾值時(shí)，其漏源極導(dǎo)通。正脈沖持續(xù)期過(guò)后， IC 內(nèi)部緩沖放大器發(fā)射極 電平為零， 輸出端將有一定時(shí)間的死區(qū)。 此時(shí)，Q 的發(fā)射極帶有 CGS 充電電壓，因而 Q 導(dǎo)通，CGS 通過(guò) Q 的 ec 極放電，Q 的集電極電流為灌電流通路。 R2 為 開(kāi)關(guān)管的柵極電阻， 目的是避免開(kāi)關(guān)管的柵極在 Q、 D 轉(zhuǎn)換過(guò)程中懸空， 否則其近似無(wú)窮大的高輸入阻抗極容易被干擾電平所擊穿。 采用此方式利用普通雙端輸出集 成電路，驅(qū)動(dòng) MOSFET 開(kāi)關(guān)管，可達(dá)到比較理想的效果。為降低導(dǎo)通 /截止損耗，D應(yīng)選用快速開(kāi)關(guān)二極管.Q 的集電極電流應(yīng)根據(jù)開(kāi)關(guān)管決定， 若為了提高輸 出功率， 每路輸出采用多只 MOSFET 管并聯(lián)應(yīng)用，則應(yīng)選擇 ICM 足夠大的灌流三極管和高速開(kāi)關(guān)二極管。

TL494 應(yīng)用

目前所有的雙端輸出驅(qū)動(dòng) IC 中， 可以說(shuō)美國(guó)德州儀器公司開(kāi)發(fā)的 TL494 功能最完善、 驅(qū)動(dòng)能力最強(qiáng)，其兩路時(shí)序不同的輸出總電流為 SG3525 的兩倍，達(dá)到 400mA.僅此一點(diǎn)，使輸出功率千瓦級(jí)及以上的開(kāi)關(guān)電源、DC/DC 變換器、逆變器，幾乎無(wú)一例外地采用 TL494.雖然 TL494 設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)雙極型開(kāi)關(guān)管，然而目前絕大部分采用 MOSFET 開(kāi)關(guān)管的設(shè)備， 利用外設(shè)灌流電路，也廣泛采用 TL494 。為此，本節(jié)中將詳細(xì)介紹 其功能及應(yīng)用電路。其內(nèi)部方框圖如圖 3 所示。其內(nèi)部電路功能、特點(diǎn)及應(yīng)用方法如下：

A.內(nèi)置 RC 定時(shí)電路設(shè)定頻率的獨(dú)立鋸齒波振蕩器 ， 其振蕩頻率 fo(kHz)=1.2/R(kΩ)。 C(μF)，其最高振蕩頻率可達(dá) 300kHz， 既能驅(qū)動(dòng)雙極性開(kāi)關(guān)管，增設(shè)灌電流通路后，還能驅(qū)動(dòng)MOSFET 開(kāi)關(guān)管。

B.內(nèi)部設(shè)有比較器組成的死區(qū)時(shí)間控制電路， 用外加電壓控制比較器的輸出電平， 通過(guò)其輸出電平使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)， 控制兩路輸出之間的死區(qū)時(shí)間。 當(dāng)?shù)?4 腳電平升高時(shí)， 死區(qū)時(shí)間增大。

C.觸發(fā)器的兩路輸出設(shè)有控制電路， 使 Q1、 Q2 既可輸出雙端時(shí)序不同的驅(qū)動(dòng)脈沖， 驅(qū)動(dòng)推挽開(kāi)關(guān)電路和半橋開(kāi)關(guān)電路，同時(shí)也可輸出同相序的單端驅(qū)動(dòng)脈沖，驅(qū)動(dòng)單端開(kāi)關(guān)電路。

D.內(nèi)部?jī)山M完全相同的誤差放大器， 其同相輸入端均被引出芯片外， 因此可以自由設(shè)定其基準(zhǔn)電壓，以方便用于穩(wěn)壓取樣，或利用其中一種作為過(guò)壓、過(guò)流超閾值保護(hù)。

E.輸出驅(qū)動(dòng)電流單端達(dá)到 400mA， 能直接驅(qū)動(dòng)峰值電流達(dá) 5A 的開(kāi)關(guān)電路。雙端輸出脈沖峰值為 2×200mA，加入驅(qū)動(dòng)級(jí)即能驅(qū)動(dòng)近千瓦的推挽式和橋式電路。

電壓不超過(guò) VCC+0.3V.第 2、15 腳為誤差放大器 A1、A2 的反相輸入端?？山尤胝`差檢出的基準(zhǔn)電壓。 第 3 腳為誤差放大器 A1、 A2 的輸出端。 集成電路內(nèi)部用于控制 PWM 比較器的同相輸入端，當(dāng) A1、 A2 任一輸出電壓升高時(shí)，控制 PWM 比較器的輸出脈寬減小。同時(shí)，該輸出端還引出端外，以便與第 2、15 腳間接入 RC 頻率校正電路和直接負(fù)反饋電路，一則 穩(wěn)定誤差放大器的增益，二則防止其高頻自激。另外，第 3 腳電壓反比于輸出脈寬，也可利用該端功能實(shí)現(xiàn)高電平保護(hù)。 第 4 腳為死區(qū)時(shí)間控制端。 當(dāng)外加 1V 以下 的電壓時(shí)，死區(qū)時(shí)間與外加電壓成正比。如果電壓超過(guò) 1V，內(nèi)部比較器將關(guān)斷觸發(fā)器的輸出脈沖。第 5腳為鋸齒波振蕩器外接定時(shí)電容端，第 6 腳為鋸齒波振蕩器 外接定時(shí)電阻端，一般用于驅(qū)動(dòng)雙極性三極管時(shí)需限制振蕩頻率小于 40kHz. 第 7 腳為接地端。第 8、11 腳為兩路驅(qū)動(dòng)放大器 NPN 管的集電極開(kāi)路輸出端。 當(dāng)?shù)?8、11 腳接 Vcc， 第 9、10 腳接入發(fā)射極負(fù)載電阻到地時(shí)，兩路為正極性圖騰柱式輸出，用以驅(qū)動(dòng)各種推挽開(kāi)關(guān)電路。當(dāng)?shù)?8、11 腳接地時(shí)，兩路為同 相位驅(qū)動(dòng)脈沖輸出。第 8、11 腳和 9、10 腳可直接并聯(lián)，雙端輸出時(shí)最大驅(qū)動(dòng)電

流為 2×200mA， 并聯(lián)運(yùn)用時(shí)最大驅(qū)動(dòng)電流為 400mA.第 14 腳為內(nèi)部 基準(zhǔn)電壓精密穩(wěn)壓電路端。 輸出 5V ±0.25V 的基準(zhǔn)電壓， 最大負(fù)載電流為 10mA. 用于誤差檢出基準(zhǔn)電壓和控制模式的控制電壓。TL494 的極限參數(shù)： 最高瞬間工作電壓(12 腳)42V，最大輸出電流 250mA，最高誤差輸入電壓 Vcc+0.3V，測(cè)試/環(huán)境溫度≤45℃，最大允許功耗 1W，最高結(jié)溫 150℃，使用溫度范圍 0~70 ℃，保存溫度-65~+150 ℃。

TL494 的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用參數(shù)： Vcc(第 12 腳)為 7~40V， Vcc1(第 8 腳)、 Vcc2(第 11 腳)為 40V， Ic1、Ic2 為 200mA ， RT 取值范圍 1.8~500kΩ ， CT 取值范圍 4700pF~10μF ，最高振蕩頻率(fOSC)≤300kHz。

圖 4 為外刊介紹的利用 TL494 組成的 400W 大功率穩(wěn)壓逆變器電路。它激式變換部分采用TL494， VT1、 VT2、 VD3、 VD4 構(gòu)成灌電流驅(qū)動(dòng)電 路， 驅(qū)動(dòng)兩路各兩只 60V/30A 的 MOSFET開(kāi)關(guān)管。 如需提高輸出功率， 每路可采用 3~4 只開(kāi)關(guān)管并聯(lián)應(yīng)用， 電路不變。

編輯點(diǎn)評(píng)：由于本文中的交流穩(wěn)流源實(shí)質(zhì)上是一個(gè)電壓型電流源， 即通過(guò)快速調(diào)節(jié)輸出電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)流。因此，所描述的交流穩(wěn)流逆變電源應(yīng)用于低壓電器長(zhǎng)延時(shí)熱脫扣試驗(yàn)，適用于對(duì)斷路器、熱繼電器等低壓電器作 長(zhǎng)延時(shí)特性的校驗(yàn)和測(cè)試。