静电感应晶闸管在电源电路中的应用研究
时间：10-22
来源：互联网
点击：
1 引言
在先前发表的“静电感应晶闸管（SITH）的应用研究”一文中，我们对国产SITH器件的基本特性作了研究，并研制了四种驱动电路。在这四种电路驱动下，SITH器件取得了0.2 ms以下的开关速度。现进一步将驱动电路及SITH器件一起扩展成实际的开关电源应用电路，经测试，得到了比较先进的性能指标。这样，对SITH器件的应用研究就更加全面，使得对它的推广应用打下扎实的基础。
2 电路研究
2.1 应用电路（一）
该应用电路是一个开关电源，是鉴于以下几点考虑而设计的：（1）针对电机调速、温度控制等大功率应用方向，确定是AC-DC变换，这里AC 专指交流50周单相电压220V工频电网；（2）该电源输入必须是高功率因数0.95以上，还必须是低噪扰，符合或优于国家标准；（3）该电源效率要求在90%以上；（4）能体现SITH管的优势，避开其弱点。
这里采用了BOOST变换程式（图1）。图中 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稳压二极管；D2： 3A快恢二极管HER308； D3、D6：2A/400V整流桥；Q1、Q3：npn三极管8050；Q2：pnp三极管8550；Q4：VDMOS 10A/30V；L1：2mH/ 1A高频电感；L2：2mH/ 1A高频电感；IC：UC3852。
UC3852的详细工作原理请参阅Texas In stru ments公司有关资料。要着重指出的是， UC3852是一种专门用来提高输入功率因数的开关电源控制芯片，它的基本原理是在远高于50周的频率下工作， 控制开关管以一个恒定的时间Ton导通，导通时电感L2承受全部交流输入电压Vin 。在Ton结束时， 电感电流，也就是输入电流I in=(Vin /L2)×Ton ，因此Iin与Vin成正比。接着，UC3852使开关管关闭， L2向负载端放电，Iin呈线性衰减， 当UC3852检测到Iin衰减到零时，又控制开关管导通，进入下一个Ton，见图2。
图中， 上部是UC3852的驱动波形， 高电平是驱动开关管导通，高电平的时间Ton 是恒定的；下部是输入电压Vin和输入电流 Iin的波形。在Ton时段内，Iin线性上升， 上升的速率与当时的Vin值成正比， 由于每次都是从零开始， 因此Iin的峰值也与Vin 成正比。实际上，UC3852的工作频率要比图中表示的高得多，约25kHz。因此可认为在每个三角形区段Vin恒定， 则Iin的平均值也正比于V in，经过L1、C6低通滤波后，输入电流波形与输入电压一致， 则功率因数必然很高。这就是UC3852的简单工作原理。
图1的电路参数构成一个输出为100W的电路， SITH管为主开关，采用驱动电路（一）的方案，由Q1、Q2、Q3和Q4组成SITH管的驱动电路； L2是BOOST电感；C5是输出滤波电容；R 6、R7、R8、R9和C3组成反馈电路， 供UC3852采用， 控制输出电压稳定；R12和C7是UC3852工作频率的定时电路， 这里定在25kHz左右；L1和C6是低通滤波器， 阻止Iin中的高频成分传回电网；R 10是电流采样电阻， 向UC3852提供Iin的波形。
从图2的波形上可以看出， 这是一种电流非连续方式， 它的好处是开关管总是从零电流开始导通，最终达到二倍的平均电流， 从而使SITH管避开了导通慢的弱点， 又发扬了其大电流性能好的优点。它又使二极管D2在正向电流到零后再承受反压， 避开了反向恢复损耗的问题。D2的作用是阻止输出电容 C5向L2和SITH管放电， 它正向流过的就是负载电流， 而反向承受的是400V电压。测试中D2使用中速的快恢二极管， 温升很低。 输出电压取400V是电路工作要求的（参阅Texas In stru ments 公司有关资料），因而不能降低。 SITH管在关断时也承受400V的反压， 对它来说余量较大，也是优势所在。
测得其主要指标如下：输入电压：AC220V 50Hz；输入电流：0.58A；输入功率：111W；功率因数：0.95；输出电压：DC410V， 纹波峰峰值：Vpp=20V；输出负载电阻：1610Ω；输出功率：104W； 效率：0.94。由此看来，SITH器件及其驱动电路满足了要求，结果是令人满意的。
然而，SITH管在工作时大约有3.5W左右的管耗，是电路中唯一有明显温升的器件。电路中使用的SITH管是TO-220封装，最初加上50mm× 60mm散热片，开机5分钟内表面温升达50℃， 输入功率增加了3W。 后来， 改用带有风扇的CPU散热器， 风扇功率1W， 开机15分钟后，表面温升仍不迢过5℃， 输入功率始终在111W左右。由此可以认为， SITH管与其它电力器件一样，开关损耗随温度升高而增加。若散热不好，会形成恶性循环。频繁的高温差变化还会使焊锡过早脆化， 使焊接质量变坏。因此良好散热是保证可靠性、保证高效率的最有效最重要的手段。由于SITH管具有较强的过流能力， 因此在良好散热下， 不必采用“降容量使用”的传统方法， 可以选用电流额定值与工作额定值相当的器件， 以降低成本又不影响可靠性。
在先前发表的“静电感应晶闸管（SITH）的应用研究”一文中，我们对国产SITH器件的基本特性作了研究，并研制了四种驱动电路。在这四种电路驱动下，SITH器件取得了0.2 ms以下的开关速度。现进一步将驱动电路及SITH器件一起扩展成实际的开关电源应用电路，经测试，得到了比较先进的性能指标。这样，对SITH器件的应用研究就更加全面，使得对它的推广应用打下扎实的基础。
2 电路研究
2.1 应用电路（一）
该应用电路是一个开关电源，是鉴于以下几点考虑而设计的：（1）针对电机调速、温度控制等大功率应用方向，确定是AC-DC变换，这里AC 专指交流50周单相电压220V工频电网；（2）该电源输入必须是高功率因数0.95以上，还必须是低噪扰，符合或优于国家标准；（3）该电源效率要求在90%以上；（4）能体现SITH管的优势，避开其弱点。
这里采用了BOOST变换程式（图1）。图中 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稳压二极管；D2： 3A快恢二极管HER308； D3、D6：2A/400V整流桥；Q1、Q3：npn三极管8050；Q2：pnp三极管8550；Q4：VDMOS 10A/30V；L1：2mH/ 1A高频电感；L2：2mH/ 1A高频电感；IC：UC3852。
UC3852的详细工作原理请参阅Texas In stru ments公司有关资料。要着重指出的是， UC3852是一种专门用来提高输入功率因数的开关电源控制芯片，它的基本原理是在远高于50周的频率下工作， 控制开关管以一个恒定的时间Ton导通，导通时电感L2承受全部交流输入电压Vin 。在Ton结束时， 电感电流，也就是输入电流I in=(Vin /L2)×Ton ，因此Iin与Vin成正比。接着，UC3852使开关管关闭， L2向负载端放电，Iin呈线性衰减， 当UC3852检测到Iin衰减到零时，又控制开关管导通，进入下一个Ton，见图2。
图中， 上部是UC3852的驱动波形， 高电平是驱动开关管导通，高电平的时间Ton 是恒定的；下部是输入电压Vin和输入电流 Iin的波形。在Ton时段内，Iin线性上升， 上升的速率与当时的Vin值成正比， 由于每次都是从零开始， 因此Iin的峰值也与Vin 成正比。实际上，UC3852的工作频率要比图中表示的高得多，约25kHz。因此可认为在每个三角形区段Vin恒定， 则Iin的平均值也正比于V in，经过L1、C6低通滤波后，输入电流波形与输入电压一致， 则功率因数必然很高。这就是UC3852的简单工作原理。
图1的电路参数构成一个输出为100W的电路， SITH管为主开关，采用驱动电路（一）的方案，由Q1、Q2、Q3和Q4组成SITH管的驱动电路； L2是BOOST电感；C5是输出滤波电容；R 6、R7、R8、R9和C3组成反馈电路， 供UC3852采用， 控制输出电压稳定；R12和C7是UC3852工作频率的定时电路， 这里定在25kHz左右；L1和C6是低通滤波器， 阻止Iin中的高频成分传回电网；R 10是电流采样电阻， 向UC3852提供Iin的波形。
从图2的波形上可以看出， 这是一种电流非连续方式， 它的好处是开关管总是从零电流开始导通，最终达到二倍的平均电流， 从而使SITH管避开了导通慢的弱点， 又发扬了其大电流性能好的优点。它又使二极管D2在正向电流到零后再承受反压， 避开了反向恢复损耗的问题。D2的作用是阻止输出电容 C5向L2和SITH管放电， 它正向流过的就是负载电流， 而反向承受的是400V电压。测试中D2使用中速的快恢二极管， 温升很低。 输出电压取400V是电路工作要求的（参阅Texas In stru ments 公司有关资料），因而不能降低。 SITH管在关断时也承受400V的反压， 对它来说余量较大，也是优势所在。
测得其主要指标如下：输入电压：AC220V 50Hz；输入电流：0.58A；输入功率：111W；功率因数：0.95；输出电压：DC410V， 纹波峰峰值：Vpp=20V；输出负载电阻：1610Ω；输出功率：104W； 效率：0.94。由此看来，SITH器件及其驱动电路满足了要求，结果是令人满意的。
然而，SITH管在工作时大约有3.5W左右的管耗，是电路中唯一有明显温升的器件。电路中使用的SITH管是TO-220封装，最初加上50mm× 60mm散热片，开机5分钟内表面温升达50℃， 输入功率增加了3W。 后来， 改用带有风扇的CPU散热器， 风扇功率1W， 开机15分钟后，表面温升仍不迢过5℃， 输入功率始终在111W左右。由此可以认为， SITH管与其它电力器件一样，开关损耗随温度升高而增加。若散热不好，会形成恶性循环。频繁的高温差变化还会使焊锡过早脆化， 使焊接质量变坏。因此良好散热是保证可靠性、保证高效率的最有效最重要的手段。由于SITH管具有较强的过流能力， 因此在良好散热下， 不必采用“降容量使用”的传统方法， 可以选用电流额定值与工作额定值相当的器件， 以降低成本又不影响可靠性。
电感 电路 开关电源 电压 二极管 三极管 电流 电容 滤波器 电阻 变压器 可控硅 单片机 比较器 相关文章：
- 电源设计小贴士 1：为您的电源选择正确的工作频率(12-25)
- 超低静态电流电源管理IC延长便携应用工作时间(04-14)
- 电源设计小贴士 3：阻尼输入滤波器(第一部分)(01-16)
- 高效地驱动LED(04-23)
- 电源设计小贴士 4：阻尼输入滤波器(第二部分)(02-10)
- 电源设计小贴士5：降压-升压电源设计中降压控制器的使用(03-18)
射频专业培训教程推荐
栏目分类