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隨著PWM技術在變頻、逆變頻等領域的運用越來越廣泛，以及IGBT、PowerMOSFET等功率性開關器件的快速發展，使得PWM控制的高壓大功率電源向著小型化、高頻化、智能化、高效率方向發展。 本文采用電壓脈寬型PWM控制芯片SG3525A，以及高壓懸浮驅動器IR2110，用功率開關器件IGBT模塊方案實現高頻逆變電源。另外，用單片機控制技術對此電源進行控制，使整個系統結構簡單，并實現了系統的數字智能化。 SG3525A性能和結構 SG3525A是電壓型PWM集成控制器，外接元 器件少，性能好，包括開關穩壓所需的全部控制電路。其主要特性包括：外同步、軟啟動功能；死區調節、欠壓鎖定功能；誤差放大以及關閉輸出驅動 信號等功能；輸出級采用推挽式電路結構，關斷速度快，輸出電流±400mA；可提供精密度為5V±1%的基準電壓；開關頻率范圍100Hz"400KHz。其內部結構主要包括基準電壓源、欠壓鎖定電路、鋸齒波振蕩器、誤差放大器等，如圖1所示。 圖1 SG3525A內部框圖及引腳功能 IR2110性能和結構 IR2110是美國IR公司生產的高壓、高速PMOSFET和IGBT的理想驅動器。該芯片采用HVIC和閂鎖抗干擾制造工藝，集成DIP、SOIC封裝。其主要特性包括：懸浮通道電源采用自舉電路，其電壓最高可達500V；功率器件柵極驅動電壓范圍10V"20V；輸出電流峰值為2A; 邏輯電源范圍5V"20V，而且邏輯電源地和功率地之間允許+5V的偏移量；帶有下拉電阻的COMS施密特輸入端，可以方便地與LSTTL和CMOS電平匹配；獨立的低端和高端輸入通道，具有欠電壓同時鎖定兩通道功能; 兩通道的匹配延時為10ns；開關通斷延時小，分別為120ns和90ns;工作頻率達500kHz。其內部結構主要包括邏輯輸入，電平轉換及輸出保護等，如圖2所示。 圖2 IR2110內部框圖及引腳功能 設計原理 高壓側懸浮驅動的自舉原理 IR2110用于驅動半橋的電路如圖3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關斷期間，C1已充到足夠的電壓VC1≈VCC。當HIN為高電平時，VM1開通，VM2關斷，VC1加到S1的門極和發射極之間，C1通過VM1、Rg1和S1門極柵極電容Cgc1放電，Cgc1被充電。此時VC1可等效為一個電壓源。當HIN為低電平時，VM2開通，VM1斷開，S1柵極電荷經Rg1、VM2迅速釋放，S1關斷。經短暫的死區時間(td)之后，LIN為高電平，S2開通，VCC經VD1、S2給C1充電，迅速為C1補充能量。如此循環反復。 圖3 驅動半橋自舉電路 自舉元件設計 自舉二極管(VD1)和電容(C1)是IR2110在PWM應用時需要嚴格挑選和設計的元器件，應根據一定的規則對其進行調整，使電路工作在最佳狀態。 在工程應用中，取自舉電容C1＞2Qg/(VCC-10-1.5)。式中，Qg為IGBT門極提供的柵電荷。假定自舉電容充電路徑上有1.5V的壓降(包括VD1的正向壓降)，則在器件開通后，自舉電容兩端電壓比器件充分導通所需要的電壓(10V)要高。 同時，在選擇自舉電容大小時，應綜合考慮懸浮驅動的最寬導通時間ton(max)和最窄導通時間ton(min)。導通時間既不能太大影響窄脈沖的驅動性能，也不能太小而影響寬脈沖的驅動要求。根據功率器件的工作頻率、開關速度、門極特性對導通時間進行選擇，估算后經調試而定。 VD1主要用于阻斷直流干線上的高壓，其承受的電流是柵極電荷與開關頻率之積。為了減少電荷損失，應選擇反向漏電流小的二極管。 運用SG3525A和IR2110構成的高頻逆變主電路圖 高頻逆變主電路如圖4所示，逆變高壓電路由全橋驅動組成。功率開關Q1"Q4采用IGBT模塊。逆變主電路把直流電壓V1轉換為20kHz的高頻矩形波交流電壓送到高頻高壓變壓器T1，經升壓整流濾波后提供給負載供電。電路通過控制PWM1和PWM2的占空比，來得到脈寬可調的矩形波交流電壓。VF為高壓采樣端反饋到控制系統的電壓。 圖 4 高壓逆變主電路圖 單片機組成的控制系統 圖5所示為完整的高壓逆變電源系統框圖，它主要包括主電路及控制電路兩部分。主電路主要包括逆變器直流電源、IGBT橋式逆變器、保護電路、高頻高壓變壓器、高頻高壓硅堆(高頻整流器)等。控制電路主要包括電流、電壓采樣及其處理單元，PWM信號產生和驅動電路，單片機控制器，參數輸入鍵盤及液晶顯示，通信接口等部分。為了更好的解決系統的干擾、隔離、電磁兼容等問題，在控制部分和主電路采用光耦完全隔離。此硬件系統配上軟件系統，可使整個系統具有完整的人機界面和自診斷等智能化功能。 圖5 單片機控制的逆變系統 結語 由PWM控制芯片SG3525A和高壓驅動器IR2110組成的高頻逆變電源，具有體積小、控制方便、電能利用效率高等優點。此系統目前已被用于醫療設備的高頻電源。 |
