功率穩(wěn)壓逆變電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)采用的長(zhǎng)延時(shí)熱脫扣試驗(yàn)方案是通過(guò)變壓器直接對(duì)斷路器施加一個(gè)電壓以獲得測(cè)試電流。在測(cè)試過(guò)程中，由于電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、載流電路中引線電阻變化、負(fù)載本身電阻發(fā)熱變化，使測(cè)試電流隨之變動(dòng)，難以滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。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)。

標(biāo)稱功率300W的逆變電源，用于家庭電風(fēng)扇、電視機(jī)，以及日常照明等是不成問(wèn)題的。300W逆變器，利用12V/60AH蓄電池向上述家用電器供電，一次充滿電后，可使用近5小時(shí)。不過(guò)，即使蓄電池電壓充足，啟動(dòng)180立升的電冰箱仍有困難，因啟動(dòng)瞬間輸出電壓下降為不足180V而失敗。電冰箱壓縮機(jī)標(biāo)稱功率多為100W左右，實(shí)際啟動(dòng)瞬間電流可達(dá)2A以上，若欲使啟動(dòng)瞬間降壓不十分明顯，必須將輸出功率提高至600VA.如在增大輸出功率的同時(shí)，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。

圖1

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MOS FET管作開(kāi)關(guān)器件。

MOSFET管的應(yīng)用

近年來(lái)，金屬氧化物絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的制造工藝飛速發(fā)展，使之漏源極耐壓（VDS）達(dá)kV以上，漏源極電流（IDS）達(dá)50A已不足為奇，因而被廣泛用于高頻功率放大和開(kāi)關(guān)電路中。

除此而外，還有雙極性三極管與MOS FET管的混合產(chǎn)品，即所謂IGBT絕緣柵雙極晶體管。顧名思義，它屬M(fèi)OS FET管作為前級(jí)、雙極性三極管作為輸出的組合器件。因此，IGBT既有絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的電壓驅(qū)動(dòng)特性，又有雙極性三極管飽合壓降小和耐壓高的輸出特性，其關(guān)斷時(shí)間達(dá)到0.4μs以下，VCEO達(dá)到1.8kV，ICM達(dá)到100A的水平，目前常用于電機(jī)變頻調(diào)速、大功率逆變器和開(kāi)關(guān)電源等電路中。

一般中功率開(kāi)關(guān)電源逆變器常用MOS FET管的并聯(lián)推挽電路。MOS FET管漏-源極間導(dǎo)通電阻，具有電阻的均流特性，并聯(lián)應(yīng)用時(shí)不必外加均流電阻，漏源極直接并聯(lián)應(yīng)用即可。而柵源極并聯(lián)應(yīng)用，則每只MOS FET管必須采用單獨(dú)的柵極隔離電阻，避免各開(kāi)關(guān)管柵極電容并聯(lián)形成總電容增大，導(dǎo)致充電電流增大，使驅(qū)動(dòng)電壓的建立過(guò)程被延緩，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通損耗增大。

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MOS FET管作為高頻高壓開(kāi)關(guān)電路，但是，專用于驅(qū)動(dòng)MOS FET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2

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MOS FET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MOS FET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)MOS FET開(kāi)關(guān)管，可以達(dá)到比較理想的效果。為了降低導(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MOS FET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。