靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）在開關(guān)電源電路中的應(yīng)用

　　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(duì)國(guó)產(chǎn)SITH器件的基本特性作了研究，并研制了四種驅(qū)動(dòng)電路。在這四種電路驅(qū)動(dòng)下，SITH器件取得了0.2 ms以下的開關(guān)速度?，F(xiàn)進(jìn)一步將驅(qū)動(dòng)電路及SITH器件一起擴(kuò)展成實(shí)際的開關(guān)電源應(yīng)用電路，經(jīng)測(cè)試，得到了比較先進(jìn)的性能指標(biāo)。這樣，對(duì)SITH器件的應(yīng)用研究就更加全面，使得對(duì)它的推廣應(yīng)用打下扎實(shí)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(gè)開關(guān)電源，是鑒于以下幾點(diǎn)考慮而設(shè)計(jì)的：(1)針對(duì)電機(jī)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(guó)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(shì)，避開其弱點(diǎn)。

　　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(qǐng)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(lái)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(gè)恒定的時(shí)間Ton導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)電感L2承受全部交流輸入電壓Vin 。在Ton結(jié)束時(shí)， 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(cè)到Iin衰減到零時(shí)，又控制開關(guān)管導(dǎo)通，進(jìn)入下一個(gè)Ton，見圖2。

　　圖中， 上部是UC3852的驅(qū)動(dòng)波形， 高電平是驅(qū)動(dòng)開關(guān)管導(dǎo)通，高電平的時(shí)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(shí)段內(nèi)，Iin線性上升， 上升的速率與當(dāng)時(shí)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(shí)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(gè)三角形區(qū)段Vin恒定， 則Iin的平均值也正比于V in，經(jīng)過(guò)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(jiǎn)單工作原理。

　　圖1的電路參數(shù)構(gòu)成一個(gè)輸出為100W的電路， SITH管為主開關(guān)，采用驅(qū)動(dòng)電路(一)的方案，由Q1、Q2、Q3和Q4組成SITH管的驅(qū)動(dòng)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(shí)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(dá)到二倍的平均電流， 從而使SITH管避開了導(dǎo)通慢的弱點(diǎn)， 又發(fā)揚(yáng)了其大電流性能好的優(yōu)點(diǎn)。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(wèn)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(guò)的就是負(fù)載電流， 而反向承受的是400V電壓。測(cè)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(shí)也承受400V的反壓， 對(duì)它來(lái)說(shuō)余量較大，也是優(yōu)勢(shì)所在。

　　測(cè)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(lái)，SITH器件及其驅(qū)動(dòng)電路滿足了要求，結(jié)果是令人滿意的。

　　然而，SITH管在工作時(shí)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(jī)5分鐘內(nèi)表面溫升達(dá)50℃， 輸入功率增加了3W。 后來(lái)， 改用帶有風(fēng)扇的CPU散熱器， 風(fēng)扇功率1W， 開機(jī)15分鐘后，表面溫升仍不迢過(guò)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(huì)形成惡性循環(huán)。頻繁的高溫差變化還會(huì)使焊錫過(guò)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(qiáng)的過(guò)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。