基于PWM的電壓調(diào)節(jié)技術(shù)
SG3524工作過程如下。
直流電源VS從腳15 接入后分兩路,一路加到或非門;另一路送到基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器的輸入端,產(chǎn)生穩(wěn)定的+5 V基準(zhǔn)電壓。+5 V再送到內(nèi)部(或外部)電路的其他元器件作為電源。
振蕩器腳7須外接電容CT,腳6須外接電阻RT。振蕩器頻率f由外接電阻RT和電容CT決定,f=1.18/RTCT。本設(shè)計(jì)將Boost電路的開關(guān)頻率定為10 kHz,取CT=0.22 滋F,RT=5 k贅;逆變橋開關(guān)頻率定為5 kHz,取CT=0.22 滋F,RT=10 k贅。振蕩器的輸出分為兩路,一路以時(shí)鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個(gè)或非門;另一路以鋸齒波形式送至比較器的同相端,比較器的反向端接誤差放大器的輸出。
誤差放大器實(shí)際上是差分放大器,腳1為其反相輸入端;腳2為其同相輸入端。通常,一個(gè)輸入端連到腳16 的基準(zhǔn)電壓的分壓電阻上(應(yīng)取得2.5 V的電壓),另一個(gè)輸入端接控制反饋信號電壓。本系統(tǒng)電路圖中,在DC/DC變換部分,G3524的腳1接控制反饋信號電壓,腳2接在基準(zhǔn)電壓的分壓電阻上。誤差放大器的輸出與鋸齒波電壓在比較器中進(jìn)行比較,從而在比較器的輸出端出現(xiàn)一個(gè)隨誤差放
大器輸出電壓高低而改變寬度的方波脈沖,再將此方波脈沖送到或非門的一個(gè)輸入端?;蚍情T的另兩個(gè)輸入端分別為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和振蕩器鋸齒波。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端互補(bǔ),交替輸出高低電平,其作用是將PWM脈沖交替送至兩個(gè)三極管V1及V2的基極,鋸齒波的作用是加入了死區(qū)時(shí)間,保證V1及V2兩個(gè)三極管不可能同時(shí)導(dǎo)通。最后,晶體管V1及V2 分別輸出脈沖寬度調(diào)制波,兩者相位相差180毅。當(dāng)V1及V2脈沖并聯(lián)應(yīng)用時(shí),其輸出脈沖的占空比為0%~90%;當(dāng)V1及V2分開使用時(shí),輸出脈沖的占空比為0%~45%,脈沖頻率為振蕩器頻率的1/2。
2.2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
IR2110 采用HVIC的閂鎖抗干擾CMOS 制造工藝,DIP14腳封裝。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)500 V,dv/dt=依50 V/ns,15 V下靜態(tài)功耗僅為116 mW;輸出的電源端(腳3,即功率器件的柵極驅(qū)動(dòng)電壓)電壓范圍10~20 V;邏輯電源電壓范圍(腳9)5~15 V,可方便地與TTL,CMOS電平相匹配,而且邏輯電源地和功率地之間允許有依5 V的偏移量;工作頻率高,可達(dá)500 kHz;開通、關(guān)斷延遲小,分別為120 ns 和94 ns;
圖騰柱輸出峰值電流為2 A。
IR2110 內(nèi)部由如圖4 所示的三個(gè)部分組成:邏輯輸入,電平平移及輸出保護(hù)。如上所述IR2110的特點(diǎn),可以為裝置的設(shè)計(jì)帶來許多方便。尤其是高端懸浮自舉電源的成功設(shè)計(jì),可以大大減少驅(qū)動(dòng)電源的數(shù)目。
采用IR2110作逆變半橋的驅(qū)動(dòng)電路舉例。這種高壓側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)的自舉原理如圖5 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抑VCC)。當(dāng)HIN為高電平時(shí)VM1開通,VM2關(guān)斷,VC1加到S1的柵極和發(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,S1導(dǎo)通。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)。
自舉元器件的分析與設(shè)計(jì)舉例。圖5所示自舉二極管(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)則進(jìn)
行計(jì)算分析。在電路實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行一些調(diào)整,使電路工作在最佳狀態(tài)。
1)自舉電容的選擇IGBT 和PM(Power MOS原FET)具有相似的門極特性。開通時(shí),需要在極短的時(shí)間內(nèi)向門極提供足夠的柵電荷。假定在器件開通后,自舉電容兩端電壓比器件充分導(dǎo)通所需要的電壓(10 V,高壓側(cè)鎖定電壓為8.7/8.3 V)要高;再假定在自舉電容充電路徑上有1.5 V 的壓降(包括VD1的正向壓降);最后假定有1/2的柵電壓(柵極門檻電壓VTH通常為3~5 V)因泄漏電流引起電壓降。綜合上述條件,此時(shí)對應(yīng)的自舉電容工程應(yīng)用則取C1躍2Qg/(VCC-10-1.5)。
例如FUJ I50 A/600 V IGBT充分導(dǎo)通時(shí)所需要的柵電荷Qg=250 nC(可由特性曲線查得),VCC=15 V,那么C1=2伊250伊10-9/(15-10-1.5)=1.4伊10-7 F,可取C1=0.22 滋F或更大一點(diǎn)的,而耐壓躍50 V 的電容。
在自舉電容的充電路徑上,分布電感影響了充電的速率。下管的最窄導(dǎo)通時(shí)間應(yīng)保證自舉電容能夠充足夠的電荷,以滿足Cge所需要的電荷量再加上功率器件穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通時(shí)漏電流所失去的電荷量。因此從最窄導(dǎo)通時(shí)間ton min考慮,自舉電容應(yīng)足夠小。
綜上所述,在選擇自舉電容大小時(shí)應(yīng)綜合考慮,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。從功率器件的工作頻率、開關(guān)速度、門極特性進(jìn)行選擇,估算后經(jīng)調(diào)試而定。
2)自舉二極管的選擇自舉二極管是一個(gè)重要的自舉器件,它應(yīng)能阻斷直流干線上的高壓,二極管承受的電流是柵極電荷與開關(guān)頻率之積。為了減少電荷損矢,應(yīng)選擇反向漏電流小的快恢復(fù)二極管。單從驅(qū)動(dòng)PM 和IGBT的角度考慮,均不需要柵極負(fù)偏置。Vge=0,完全可以保證器件正常關(guān)斷。但在有些情況下,負(fù)偏置是必要的。這是因?yàn)楫?dāng)器件關(guān)斷時(shí),其集電極-發(fā)射極之間的dv/dt過高時(shí),將通過集電極-柵極之間的(密勒)電容以尖脈沖的形式向柵極饋送電荷,使柵極電壓升高,而PM,IGBT的門檻電壓通常是3~5 V,一旦尖脈沖的高度和寬度到達(dá)一定的程度,功率器件將會(huì)誤導(dǎo)通,造成災(zāi)難性的后果。而采用柵極負(fù)偏置,可以較好地解決這個(gè)問題。
2.3 保護(hù)電路
電力電子常用的保護(hù)有過流保護(hù)和過壓保護(hù)。
1)過電流保護(hù)在電力電子變換和控制系統(tǒng)運(yùn)行不正?;虬l(fā)生故障時(shí),可能發(fā)生過電流造成開關(guān)器件的永久性損壞,快速熔斷器是電力電子變換器系統(tǒng)中常用的一種過電流保護(hù)措施??焖偃蹟嗥鞯倪^流保護(hù)原理是基于快速熔斷器特性與器件特性的保護(hù)配合來完成的,即通過選擇快速熔斷器的短路容量約器件的熱容量,使得當(dāng)發(fā)生過流時(shí)快速熔斷器先熔斷,以保護(hù)器件不損壞。另一種方法是采用電流檢測、比較、判斷,在過流瞬間及時(shí)關(guān)斷電路。
2)過電壓保護(hù)電力電子設(shè)備在運(yùn)行過程中,會(huì)受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時(shí),設(shè)備自身運(yùn)行中以及非正常運(yùn)行中也有過電壓出現(xiàn)。過電壓保護(hù)的基本原理是在瞬態(tài)過電壓發(fā)生的時(shí)候(滋s或ns級),通過過電壓檢測電路進(jìn)行檢測。過電壓檢測電路中主要的元件是壓敏電阻。壓敏電阻相當(dāng)于很多串并聯(lián)在一起的雙向抑制二極管,起到電壓箝位的作用。電壓超過箝位電壓時(shí),壓敏電阻導(dǎo)通;電壓低于箝位電壓時(shí),壓敏電阻截止。
過電壓檢測電路原理如圖6所示。當(dāng)有過電壓信號產(chǎn)生時(shí),壓敏電阻被擊穿,呈現(xiàn)低阻值甚至接近短路狀態(tài),這樣在電流互感器的一次側(cè)產(chǎn)生一個(gè)大電流,通過線圈互感作用在二次側(cè)產(chǎn)生一個(gè)小電流,再通過精密電阻把電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?這個(gè)信號輸入到電壓比較器LM393 后,LM393 輸出高電平,經(jīng)過非門A 輸出的控制脈沖2控制電源回路,斷開開關(guān)電源電路。當(dāng)輸出的高電平輸出SG3524的腳10時(shí),封鎖輸出脈沖,進(jìn)行保護(hù)。
2.4 DC/AC逆變電路結(jié)構(gòu)
DC/AC 變換采用單相輸出,全橋逆變形式,由4個(gè)IGBT(G20N40L)構(gòu)成橋式逆變電路,最高耐壓800 V,電流20 A,利用半橋驅(qū)動(dòng)器IR2110提供驅(qū)動(dòng)信號,其輸入波形由SG3524 提供,同理可調(diào)節(jié)該SG3524的輸出驅(qū)動(dòng)波形的D50%,保證逆變的驅(qū)動(dòng)方波有共同的死區(qū)時(shí)間。
3 結(jié)語
結(jié)合高校學(xué)生《電力電子技術(shù)》課程的實(shí)踐教學(xué),對上述理論分析和方案設(shè)計(jì),通過安裝和調(diào)試進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并應(yīng)用在風(fēng)扇、電爐等家用電器的控制,效果良好,達(dá)到了預(yù)先設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)也可引入閉環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。隨著智能電力模塊(如IPM)的廣泛應(yīng)用,不僅體積小,轉(zhuǎn)換效率高,而且具有各種保護(hù)功能,同時(shí)具有程控接口,在實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的有效控制和保護(hù)方面將更加完善。
評論