基于功率穩(wěn)壓逆變電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)大多數(shù)選用的長(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)電壓以獲得檢驗(yàn)電流。在檢驗(yàn)進(jìn)程中，由于電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、載流電路中引線電阻改動(dòng)、負(fù)載本身電阻發(fā)熱改動(dòng)，使檢驗(yàn)電流隨之變化，難以滿足國(guó)家規(guī)范的需要。這篇文章介紹了一種功率穩(wěn)壓逆變電源，具有工作安穩(wěn)可靠、輸入功率因數(shù)高、輸出精度高、波形失真度小、效率高的利益。
標(biāo)稱功率300W的逆變電源，用于家庭電風(fēng)扇、電視機(jī)，以及往常照明等是不成問(wèn)題的。300W逆變器，運(yùn)用12V/60AH蓄電池向上述家用電器供電，一次充滿電后，可運(yùn)用近5小時(shí)。不過(guò)，即使蓄電池電壓滿足，發(fā)起180立升的電冰箱仍有困難，因發(fā)起霎時(shí)間輸出電壓降低為不足180V而失利。電冰箱壓縮機(jī)標(biāo)稱功率多為100W左右，實(shí)踐發(fā)起霎時(shí)間電流可達(dá)2A以上，若欲使發(fā)起霎時(shí)間降壓不非常明顯，有必要將輸出功率前進(jìn)至600VA.如在增大輸出功率的一同，選用PWM穩(wěn)壓系統(tǒng)，可使發(fā)起霎時(shí)間降壓崎嶇明顯減小。不論電風(fēng)扇仍是電冰箱，運(yùn)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，以改進(jìn)波形，避免脈沖上升沿尖峰擊穿電機(jī)繞組。
選用雙極型開(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)電路有必要選用多級(jí)擴(kuò)展，不只使電路復(fù)雜化，可靠性也變差并且跟著輸出功率的增大，開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電流需大于集電極電流的1/β，致使一般驅(qū)動(dòng)IC無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)。雖然選用多級(jí)擴(kuò)展可以抵達(dá)目的，可是波形失真卻明顯增大，然后致使開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通/截止損耗也增大。當(dāng)時(shí)處置大功率逆變電源及UPS的驅(qū)動(dòng)方案，大多選用MOS FET管作開(kāi)關(guān)器件.
MOSFET管的運(yùn)用
這些年，金屬氧化物絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的制造技能飛速展開(kāi)，使之漏源極耐壓(VDS)達(dá)kV以上，漏源極電流(IDS)達(dá)50A已粗茶淡飯，因此被廣泛用于高頻功率擴(kuò)展和開(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。斷章取義，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)間抵達(dá)0.4μs以下，VCEO抵達(dá)1.8kV,ICM抵達(dá)100A的水平，當(dāng)時(shí)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)運(yùn)用時(shí)不必外加均流電阻，漏源極直接并聯(lián)運(yùn)用即可。而柵源極并聯(lián)運(yùn)用，則每只MOS FET管有必要選用獨(dú)自的柵極隔絕電阻，避免各開(kāi)關(guān)管柵極電容并聯(lián)構(gòu)成總電容增大，致使充電電流增大，使驅(qū)動(dòng)電壓的建立進(jìn)程被推延，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通損耗增大。
MOSFET的驅(qū)動(dòng)
這些年，跟著MOSFET生產(chǎn)技能的改進(jìn)，各種開(kāi)關(guān)電源、改換器都廣泛選用MOS FET管作為高頻高壓開(kāi)關(guān)電路，可是，專用于驅(qū)動(dòng)MOS FET管的集成電路國(guó)內(nèi)很少見(jiàn)。驅(qū)動(dòng)MOSFET管的需要是，低輸出阻抗，內(nèi)設(shè)灌電流驅(qū)動(dòng)電路。所以，一般用于雙極型開(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。
當(dāng)時(shí)就世界計(jì)劃來(lái)說(shuō)，可直接驅(qū)動(dòng)MOSFET管的IC種類仍不多，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)。可是在開(kāi)關(guān)電源快速展開(kāi)的近40年中，究竟有了一大批優(yōu)秀的、功用完善的雙端輸出驅(qū)動(dòng)IC.一同跟著MOSFET管運(yùn)用廣泛，又開(kāi)發(fā)了不少新電路，可將其用于驅(qū)動(dòng)MOSFET管，處置MOSFET的驅(qū)動(dòng)無(wú)非包含兩個(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，不妨回想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(以其間一路輸出為例)。振蕩器的輸出脈沖經(jīng)或非門，將脈沖上升沿和降低沿輸出兩路時(shí)序不相同的驅(qū)動(dòng)脈沖。在脈沖正程時(shí)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-源極很快抵達(dá)導(dǎo)通閾值。當(dāng)正程脈沖往后，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)脈沖不能當(dāng)即截止。為此，Q1截止后，或非門當(dāng)即使Q2導(dǎo)通，為柵源極電容放電供應(yīng)通路。此驅(qū)動(dòng)方法中，Q1供應(yīng)驅(qū)動(dòng)電流，Q2供應(yīng)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。
為了抵達(dá)上述需要，將一般用于雙極型開(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)需要。計(jì)劃驅(qū)動(dòng)雙極型開(kāi)關(guān)管的集成電路，常選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)間次第不相同。假設(shè)第一路輸出正脈沖，經(jīng)截止后，過(guò)一死區(qū)時(shí)間，第二路方初步輸出。兩路驅(qū)動(dòng)級(jí)選用雙極型三極管集射極開(kāi)路輸出，以便于獲得不相同的脈沖極性，用于驅(qū)動(dòng)NPN型或PNP型開(kāi)關(guān)管。
圖2b中接入了PNP型三極管Q和二極管D,其作用是分別使驅(qū)動(dòng)電流和灌電流分路。
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)脈沖上升沿初步，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)充電電壓抵達(dá)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)期往后，IC內(nèi)部緩沖擴(kuò)展器發(fā)射極電平為零，輸出端將有必守時(shí)間的死區(qū)。此時(shí)，Q的發(fā)射極帶有CGS充電電壓，因此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改換進(jìn)程中懸空，否則其近似無(wú)窮大的高輸入阻抗極簡(jiǎn)單被攪擾電平所擊穿。選用此方法運(yùn)用一般雙端輸出集成電路，驅(qū)動(dòng)MOS FET開(kāi)關(guān)管，可以抵達(dá)比照志向的作用。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)管抉擇，若為了前進(jìn)輸出功率，每路輸出選用多只MOS FET管并聯(lián)運(yùn)用，則應(yīng)選擇ICM滿足大的灌流三極管和高速開(kāi)關(guān)二極管。
TL494運(yùn)用
當(dāng)時(shí)一切的雙端輸出驅(qū)動(dòng)IC中，可以說(shuō)美國(guó)德州儀器公司開(kāi)發(fā)的TL494功用最完善、驅(qū)動(dòng)才干最強(qiáng)，其兩路時(shí)序不相同的輸出總電流為SG3525的兩倍，抵達(dá)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改換器、逆變器，幾乎無(wú)一例外地選用TL494.雖然TL494計(jì)劃用于驅(qū)動(dòng)雙極型開(kāi)關(guān)管，可是當(dāng)時(shí)絕大有些選用MOS FET開(kāi)關(guān)管的設(shè)備，運(yùn)用外設(shè)灌流電路，也廣泛選用TL494.為此，本節(jié)中將具體介紹其功用及運(yùn)用電路。其內(nèi)部方框圖如圖3所示。其內(nèi)部電路功用、特征及運(yùn)用方法如下：
A.內(nèi)置RC守時(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)MOS FET開(kāi)關(guān)管。
B.內(nèi)部設(shè)有比照器構(gòu)成的死區(qū)時(shí)間控制電路，用外加電壓控制比照器的輸出電平，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)?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)序不相同的驅(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，一同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徹底相同的過(guò)失擴(kuò)展器，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，以便運(yùn)用于穩(wěn)壓取樣，或運(yùn)用其間一種作為過(guò)壓、過(guò)流超閾值保護(hù)。
E.輸出驅(qū)動(dòng)電流單端抵達(dá)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,參與驅(qū)動(dòng)級(jí)即能驅(qū)動(dòng)近千瓦的推挽式和橋式電路。
TL494的各腳功用及參數(shù)如下：第1、16腳為過(guò)失擴(kuò)展器A1、A2的同相輸入端。最高輸入電壓不逾越VCC+0.3V.第2、15腳為過(guò)失擴(kuò)展器A1、A2的反相輸入端。可接入過(guò)失檢出的基準(zhǔn)電壓。第3腳為過(guò)失擴(kuò)展器A1、A2的輸出端。集成電路內(nèi)部用于控制PWM比照器的同相輸入端，當(dāng)A1、A2任一輸出電壓升高時(shí)，控制PWM比照器的輸出脈寬減小。一同，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，一則安穩(wěn)過(guò)失擴(kuò)展器的增益，二則避免其高頻自激。另外，第3腳電壓反比于輸出脈寬，也可運(yùn)用該端功用完結(jié)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。假設(shè)電壓逾越1V,內(nèi)部比照器將關(guān)斷觸發(fā)器的輸出脈沖。第5腳為鋸齒波振蕩器外接守時(shí)電容端，第6腳為鋸齒波振蕩器外接守時(shí)電阻端，一般用于驅(qū)動(dòng)雙極性三極管時(shí)需束縛振蕩頻率小于40kHz.第7腳為接地端。第8、11腳為兩路驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展器NPN管的集電極開(kāi)路輸出端。當(dāng)?shù)?、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)?、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.用于過(guò)失檢出基準(zhǔn)電壓和控制形式的控制電壓。TL494的極限參數(shù)：最高霎時(shí)間工作電壓(12腳)42V,最大輸出電流250mA,最高過(guò)失輸入電壓Vcc+0.3V,檢驗(yàn)/環(huán)境溫度≤45℃，最大容許功耗1W,最高結(jié)溫150℃，運(yùn)用溫度計(jì)劃0~70℃，保留溫度-65~+150℃。
TL494的規(guī)范運(yùn)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取值計(jì)劃1.8~500kΩ，CT取值計(jì)劃4700pF~10μF,最高振蕩頻率(fOSC)≤300kHz.
圖4為外刊介紹的運(yùn)用TL494構(gòu)成的400W大功率穩(wěn)壓逆變器電路。它激式改換有些選用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MOS FET開(kāi)關(guān)管。如需前進(jìn)輸出功率，每路可選用3~4只開(kāi)關(guān)管并聯(lián)運(yùn)用，電路不變。TL494在該逆變器中的運(yùn)用方法如下：
第1、2腳構(gòu)成穩(wěn)壓取樣、過(guò)失擴(kuò)展系統(tǒng)，正相輸入端1腳輸入逆變器次級(jí)取樣繞組整流輸出的15V直流電壓，經(jīng)R1、R2分壓，使第1腳在逆變器正常工作時(shí)有近4.7~5.6V取樣電壓。反相輸入端2腳輸入5V基準(zhǔn)電壓(由14腳輸出)。當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，1腳電壓降低，過(guò)失擴(kuò)展器輸出低電平，通過(guò)PWM電路使輸出電壓升高。正常時(shí)1腳電壓值為5.4V,2腳電壓值為5V,3腳電壓值為0.06V.此時(shí)輸出AC電壓為235V(方波電壓)。第4腳外接R6、R4、C2設(shè)定死區(qū)時(shí)間。正常電壓值為0.01V.第5、6腳外接CT、RT設(shè)定振蕩器三角波頻率為100Hz.正常時(shí)5腳電壓值為1.75V,6腳電壓值為3.73V.第7腳為共地。第8、11腳為內(nèi)部驅(qū)動(dòng)輸出三極管集電極，第12腳為TL494前級(jí)供電端，此三端通過(guò)開(kāi)關(guān)S控制TL494的發(fā)起/中止，作為逆變器的控制開(kāi)關(guān)。當(dāng)S1關(guān)斷時(shí)，TL494無(wú)輸出脈沖，因此開(kāi)關(guān)管VT4~VT6無(wú)任何電流。S1接通時(shí)，此三腳電壓值為蓄電池的正極電壓。第9、10腳為內(nèi)部驅(qū)動(dòng)級(jí)三極管發(fā)射極，輸出兩路時(shí)序不相同的正脈沖。正常時(shí)電壓值為1.8V.第13、14、15腳其間14腳輸出5V基準(zhǔn)電壓，使13腳有5V高電平，控制門電路，觸發(fā)器輸出兩路驅(qū)動(dòng)脈沖，用于推挽開(kāi)關(guān)電路。第15腳外接5V電壓，構(gòu)成過(guò)失擴(kuò)展器反相輸入基準(zhǔn)電壓，以使同相輸入端16腳構(gòu)成高電平保護(hù)輸入端。此接法中，當(dāng)?shù)?6腳輸入大于5V的高電平時(shí)，可通過(guò)穩(wěn)壓作用降低輸出電壓，或關(guān)斷驅(qū)動(dòng)脈沖而完結(jié)保護(hù)。在它激逆變器中輸出超壓的可能性幾乎沒(méi)有，故該電路中第16腳未用，由電阻R8接地。
該逆變器選用容量為400VA的工頻變壓器，鐵芯選用45×60mm2的硅鋼片。初級(jí)繞組選用直徑1.2mm的漆包線，兩根并繞2×20匝。次級(jí)取樣繞組選用0.41mm漆包線繞36匝，中間抽頭。次級(jí)繞組按230V核算，選用0.8mm漆包線繞400匝。開(kāi)關(guān)管VT4~VT6可用60V/30A任何類型的N溝道MOS FET管代替。VD7可用1N400X系列一般二極管。該電路幾乎不經(jīng)調(diào)試即可正常工作。當(dāng)C9正極端電壓為12V時(shí)，R1可在3.6~4.7kΩ之間選擇，或用10kΩ電位器 調(diào)整，使輸出電壓為額定值。如將此逆變器輸出功率增大為近600W,為了避免初級(jí)電流過(guò)大，增大電阻性損耗，宜將蓄電池改用24V,開(kāi)關(guān)管可選用VDS為100V的大電流MOS FET管。需注意的是，寧可選用多管并聯(lián)，而不選用單只IDS大于50A的開(kāi)關(guān)管，其原因是：一則報(bào)價(jià)較高，二則驅(qū)動(dòng)太困難。主張選用100V/32A的2SK564,或選用三只2SK906并聯(lián)運(yùn)用。一同，變壓器鐵芯截面需抵達(dá)50cm2,按一般電源變壓器核算方法算出匝數(shù)和線徑，或許選用廢UPS- 600中變壓器代用。如為電冰箱、電風(fēng)扇供電，請(qǐng)勿忘掉參與LC低通濾波器。
由于這篇文章中的交流穩(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)度輸出電壓來(lái)完結(jié)輸出穩(wěn)流。當(dāng)輸出開(kāi)路時(shí)，輸出電壓會(huì)靈敏上升到到直流母線電壓附近，而不會(huì)像電流型電流源那樣升得很高。雖然如此，負(fù)載開(kāi)路時(shí)，輸出電壓仍會(huì)靈敏上升，并致使輸出電壓以LC諧振頻率進(jìn)行振蕩，這兩者均會(huì)致使輸出波形嚴(yán)肅畸變;此外，當(dāng)輸出負(fù)載從頭接上時(shí)會(huì)致使輸出瞬態(tài)過(guò)流。因此，所描寫的交流穩(wěn)流逆變電源運(yùn)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)和檢驗(yàn)。
標(biāo)稱功率300W的逆變電源，用于家庭電風(fēng)扇、電視機(jī)，以及往常照明等是不成問(wèn)題的。300W逆變器，運(yùn)用12V/60AH蓄電池向上述家用電器供電，一次充滿電后，可運(yùn)用近5小時(shí)。不過(guò)，即使蓄電池電壓滿足，發(fā)起180立升的電冰箱仍有困難，因發(fā)起霎時(shí)間輸出電壓降低為不足180V而失利。電冰箱壓縮機(jī)標(biāo)稱功率多為100W左右，實(shí)踐發(fā)起霎時(shí)間電流可達(dá)2A以上，若欲使發(fā)起霎時(shí)間降壓不非常明顯，有必要將輸出功率前進(jìn)至600VA.如在增大輸出功率的一同，選用PWM穩(wěn)壓系統(tǒng)，可使發(fā)起霎時(shí)間降壓崎嶇明顯減小。不論電風(fēng)扇仍是電冰箱，運(yùn)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，以改進(jìn)波形，避免脈沖上升沿尖峰擊穿電機(jī)繞組。
選用雙極型開(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)電路有必要選用多級(jí)擴(kuò)展，不只使電路復(fù)雜化，可靠性也變差并且跟著輸出功率的增大，開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電流需大于集電極電流的1/β，致使一般驅(qū)動(dòng)IC無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)。雖然選用多級(jí)擴(kuò)展可以抵達(dá)目的，可是波形失真卻明顯增大，然后致使開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通/截止損耗也增大。當(dāng)時(shí)處置大功率逆變電源及UPS的驅(qū)動(dòng)方案，大多選用MOS FET管作開(kāi)關(guān)器件.
MOSFET管的運(yùn)用
這些年，金屬氧化物絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的制造技能飛速展開(kāi)，使之漏源極耐壓(VDS)達(dá)kV以上，漏源極電流(IDS)達(dá)50A已粗茶淡飯，因此被廣泛用于高頻功率擴(kuò)展和開(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。斷章取義，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)間抵達(dá)0.4μs以下，VCEO抵達(dá)1.8kV,ICM抵達(dá)100A的水平，當(dāng)時(shí)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)運(yùn)用時(shí)不必外加均流電阻，漏源極直接并聯(lián)運(yùn)用即可。而柵源極并聯(lián)運(yùn)用，則每只MOS FET管有必要選用獨(dú)自的柵極隔絕電阻，避免各開(kāi)關(guān)管柵極電容并聯(lián)構(gòu)成總電容增大，致使充電電流增大，使驅(qū)動(dòng)電壓的建立進(jìn)程被推延，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通損耗增大。
MOSFET的驅(qū)動(dòng)
這些年，跟著MOSFET生產(chǎn)技能的改進(jìn)，各種開(kāi)關(guān)電源、改換器都廣泛選用MOS FET管作為高頻高壓開(kāi)關(guān)電路，可是，專用于驅(qū)動(dòng)MOS FET管的集成電路國(guó)內(nèi)很少見(jiàn)。驅(qū)動(dòng)MOSFET管的需要是，低輸出阻抗，內(nèi)設(shè)灌電流驅(qū)動(dòng)電路。所以，一般用于雙極型開(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。
當(dāng)時(shí)就世界計(jì)劃來(lái)說(shuō)，可直接驅(qū)動(dòng)MOSFET管的IC種類仍不多，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)。可是在開(kāi)關(guān)電源快速展開(kāi)的近40年中，究竟有了一大批優(yōu)秀的、功用完善的雙端輸出驅(qū)動(dòng)IC.一同跟著MOSFET管運(yùn)用廣泛，又開(kāi)發(fā)了不少新電路，可將其用于驅(qū)動(dòng)MOSFET管，處置MOSFET的驅(qū)動(dòng)無(wú)非包含兩個(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，不妨回想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(以其間一路輸出為例)。振蕩器的輸出脈沖經(jīng)或非門，將脈沖上升沿和降低沿輸出兩路時(shí)序不相同的驅(qū)動(dòng)脈沖。在脈沖正程時(shí)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-源極很快抵達(dá)導(dǎo)通閾值。當(dāng)正程脈沖往后，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)脈沖不能當(dāng)即截止。為此，Q1截止后，或非門當(dāng)即使Q2導(dǎo)通，為柵源極電容放電供應(yīng)通路。此驅(qū)動(dòng)方法中，Q1供應(yīng)驅(qū)動(dòng)電流，Q2供應(yīng)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。
為了抵達(dá)上述需要，將一般用于雙極型開(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)需要。計(jì)劃驅(qū)動(dòng)雙極型開(kāi)關(guān)管的集成電路，常選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)間次第不相同。假設(shè)第一路輸出正脈沖，經(jīng)截止后，過(guò)一死區(qū)時(shí)間，第二路方初步輸出。兩路驅(qū)動(dòng)級(jí)選用雙極型三極管集射極開(kāi)路輸出，以便于獲得不相同的脈沖極性，用于驅(qū)動(dòng)NPN型或PNP型開(kāi)關(guān)管。
圖2b中接入了PNP型三極管Q和二極管D,其作用是分別使驅(qū)動(dòng)電流和灌電流分路。
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)脈沖上升沿初步，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)充電電壓抵達(dá)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)期往后，IC內(nèi)部緩沖擴(kuò)展器發(fā)射極電平為零，輸出端將有必守時(shí)間的死區(qū)。此時(shí)，Q的發(fā)射極帶有CGS充電電壓，因此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改換進(jìn)程中懸空，否則其近似無(wú)窮大的高輸入阻抗極簡(jiǎn)單被攪擾電平所擊穿。選用此方法運(yùn)用一般雙端輸出集成電路，驅(qū)動(dòng)MOS FET開(kāi)關(guān)管，可以抵達(dá)比照志向的作用。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)管抉擇，若為了前進(jìn)輸出功率，每路輸出選用多只MOS FET管并聯(lián)運(yùn)用，則應(yīng)選擇ICM滿足大的灌流三極管和高速開(kāi)關(guān)二極管。
TL494運(yùn)用
當(dāng)時(shí)一切的雙端輸出驅(qū)動(dòng)IC中，可以說(shuō)美國(guó)德州儀器公司開(kāi)發(fā)的TL494功用最完善、驅(qū)動(dòng)才干最強(qiáng)，其兩路時(shí)序不相同的輸出總電流為SG3525的兩倍，抵達(dá)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改換器、逆變器，幾乎無(wú)一例外地選用TL494.雖然TL494計(jì)劃用于驅(qū)動(dòng)雙極型開(kāi)關(guān)管，可是當(dāng)時(shí)絕大有些選用MOS FET開(kāi)關(guān)管的設(shè)備，運(yùn)用外設(shè)灌流電路，也廣泛選用TL494.為此，本節(jié)中將具體介紹其功用及運(yùn)用電路。其內(nèi)部方框圖如圖3所示。其內(nèi)部電路功用、特征及運(yùn)用方法如下：
A.內(nèi)置RC守時(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)MOS FET開(kāi)關(guān)管。
B.內(nèi)部設(shè)有比照器構(gòu)成的死區(qū)時(shí)間控制電路，用外加電壓控制比照器的輸出電平，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)?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)序不相同的驅(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，一同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徹底相同的過(guò)失擴(kuò)展器，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，以便運(yùn)用于穩(wěn)壓取樣，或運(yùn)用其間一種作為過(guò)壓、過(guò)流超閾值保護(hù)。
E.輸出驅(qū)動(dòng)電流單端抵達(dá)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,參與驅(qū)動(dòng)級(jí)即能驅(qū)動(dòng)近千瓦的推挽式和橋式電路。
TL494的各腳功用及參數(shù)如下：第1、16腳為過(guò)失擴(kuò)展器A1、A2的同相輸入端。最高輸入電壓不逾越VCC+0.3V.第2、15腳為過(guò)失擴(kuò)展器A1、A2的反相輸入端。可接入過(guò)失檢出的基準(zhǔn)電壓。第3腳為過(guò)失擴(kuò)展器A1、A2的輸出端。集成電路內(nèi)部用于控制PWM比照器的同相輸入端，當(dāng)A1、A2任一輸出電壓升高時(shí)，控制PWM比照器的輸出脈寬減小。一同，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，一則安穩(wěn)過(guò)失擴(kuò)展器的增益，二則避免其高頻自激。另外，第3腳電壓反比于輸出脈寬，也可運(yùn)用該端功用完結(jié)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。假設(shè)電壓逾越1V,內(nèi)部比照器將關(guān)斷觸發(fā)器的輸出脈沖。第5腳為鋸齒波振蕩器外接守時(shí)電容端，第6腳為鋸齒波振蕩器外接守時(shí)電阻端，一般用于驅(qū)動(dòng)雙極性三極管時(shí)需束縛振蕩頻率小于40kHz.第7腳為接地端。第8、11腳為兩路驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展器NPN管的集電極開(kāi)路輸出端。當(dāng)?shù)?、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)?、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.用于過(guò)失檢出基準(zhǔn)電壓和控制形式的控制電壓。TL494的極限參數(shù)：最高霎時(shí)間工作電壓(12腳)42V,最大輸出電流250mA,最高過(guò)失輸入電壓Vcc+0.3V,檢驗(yàn)/環(huán)境溫度≤45℃，最大容許功耗1W,最高結(jié)溫150℃，運(yùn)用溫度計(jì)劃0~70℃，保留溫度-65~+150℃。
TL494的規(guī)范運(yùn)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取值計(jì)劃1.8~500kΩ，CT取值計(jì)劃4700pF~10μF,最高振蕩頻率(fOSC)≤300kHz.
圖4為外刊介紹的運(yùn)用TL494構(gòu)成的400W大功率穩(wěn)壓逆變器電路。它激式改換有些選用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MOS FET開(kāi)關(guān)管。如需前進(jìn)輸出功率，每路可選用3~4只開(kāi)關(guān)管并聯(lián)運(yùn)用，電路不變。TL494在該逆變器中的運(yùn)用方法如下：
第1、2腳構(gòu)成穩(wěn)壓取樣、過(guò)失擴(kuò)展系統(tǒng)，正相輸入端1腳輸入逆變器次級(jí)取樣繞組整流輸出的15V直流電壓，經(jīng)R1、R2分壓，使第1腳在逆變器正常工作時(shí)有近4.7~5.6V取樣電壓。反相輸入端2腳輸入5V基準(zhǔn)電壓(由14腳輸出)。當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，1腳電壓降低，過(guò)失擴(kuò)展器輸出低電平，通過(guò)PWM電路使輸出電壓升高。正常時(shí)1腳電壓值為5.4V,2腳電壓值為5V,3腳電壓值為0.06V.此時(shí)輸出AC電壓為235V(方波電壓)。第4腳外接R6、R4、C2設(shè)定死區(qū)時(shí)間。正常電壓值為0.01V.第5、6腳外接CT、RT設(shè)定振蕩器三角波頻率為100Hz.正常時(shí)5腳電壓值為1.75V,6腳電壓值為3.73V.第7腳為共地。第8、11腳為內(nèi)部驅(qū)動(dòng)輸出三極管集電極，第12腳為TL494前級(jí)供電端，此三端通過(guò)開(kāi)關(guān)S控制TL494的發(fā)起/中止，作為逆變器的控制開(kāi)關(guān)。當(dāng)S1關(guān)斷時(shí)，TL494無(wú)輸出脈沖，因此開(kāi)關(guān)管VT4~VT6無(wú)任何電流。S1接通時(shí)，此三腳電壓值為蓄電池的正極電壓。第9、10腳為內(nèi)部驅(qū)動(dòng)級(jí)三極管發(fā)射極，輸出兩路時(shí)序不相同的正脈沖。正常時(shí)電壓值為1.8V.第13、14、15腳其間14腳輸出5V基準(zhǔn)電壓，使13腳有5V高電平，控制門電路，觸發(fā)器輸出兩路驅(qū)動(dòng)脈沖，用于推挽開(kāi)關(guān)電路。第15腳外接5V電壓，構(gòu)成過(guò)失擴(kuò)展器反相輸入基準(zhǔn)電壓，以使同相輸入端16腳構(gòu)成高電平保護(hù)輸入端。此接法中，當(dāng)?shù)?6腳輸入大于5V的高電平時(shí)，可通過(guò)穩(wěn)壓作用降低輸出電壓，或關(guān)斷驅(qū)動(dòng)脈沖而完結(jié)保護(hù)。在它激逆變器中輸出超壓的可能性幾乎沒(méi)有，故該電路中第16腳未用，由電阻R8接地。
該逆變器選用容量為400VA的工頻變壓器，鐵芯選用45×60mm2的硅鋼片。初級(jí)繞組選用直徑1.2mm的漆包線，兩根并繞2×20匝。次級(jí)取樣繞組選用0.41mm漆包線繞36匝，中間抽頭。次級(jí)繞組按230V核算，選用0.8mm漆包線繞400匝。開(kāi)關(guān)管VT4~VT6可用60V/30A任何類型的N溝道MOS FET管代替。VD7可用1N400X系列一般二極管。該電路幾乎不經(jīng)調(diào)試即可正常工作。當(dāng)C9正極端電壓為12V時(shí)，R1可在3.6~4.7kΩ之間選擇，或用10kΩ電位器 調(diào)整，使輸出電壓為額定值。如將此逆變器輸出功率增大為近600W,為了避免初級(jí)電流過(guò)大，增大電阻性損耗，宜將蓄電池改用24V,開(kāi)關(guān)管可選用VDS為100V的大電流MOS FET管。需注意的是，寧可選用多管并聯(lián)，而不選用單只IDS大于50A的開(kāi)關(guān)管，其原因是：一則報(bào)價(jià)較高，二則驅(qū)動(dòng)太困難。主張選用100V/32A的2SK564,或選用三只2SK906并聯(lián)運(yùn)用。一同，變壓器鐵芯截面需抵達(dá)50cm2,按一般電源變壓器核算方法算出匝數(shù)和線徑，或許選用廢UPS- 600中變壓器代用。如為電冰箱、電風(fēng)扇供電，請(qǐng)勿忘掉參與LC低通濾波器。
由于這篇文章中的交流穩(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)度輸出電壓來(lái)完結(jié)輸出穩(wěn)流。當(dāng)輸出開(kāi)路時(shí)，輸出電壓會(huì)靈敏上升到到直流母線電壓附近，而不會(huì)像電流型電流源那樣升得很高。雖然如此，負(fù)載開(kāi)路時(shí)，輸出電壓仍會(huì)靈敏上升，并致使輸出電壓以LC諧振頻率進(jìn)行振蕩，這兩者均會(huì)致使輸出波形嚴(yán)肅畸變;此外，當(dāng)輸出負(fù)載從頭接上時(shí)會(huì)致使輸出瞬態(tài)過(guò)流。因此，所描寫的交流穩(wěn)流逆變電源運(yùn)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)和檢驗(yàn)。
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