一种新型高压大功率小信号放大电路

一种新型高压大功率小信号放大电路  

摘要：简要分析了UC3637双PWM控制器和IR2110的特点，工作原理。由UC3637和IR2110共同构建一种高压大功率小信号放大电路，并通过实验验证了其可行性。

关键词：小信号放大器；双脉宽调制；悬浮驱动；高压大功率

0    引言

    现有的很多小信号放大电路都是由晶体管或MOS管的放大电路构成，其功率有限，不能把电路的功率做得很大。随着现代逆变技术的逐步成熟，尤其是SPWM逆变技术，使信号波形能够很好地在输出端重现，并且可以做到高电压，大电流，大功率。SPWM技术的实现方法有两种，一种是采用模拟集成电路完成正弦调制波与三角波载波的比较，产生SPWM信号；另一种是采用数字方法。随着应用的深入和集成技术的发展，已商品化的专用集成电路（ASIC）和专用单片机（8X196/MC/MD/MH）以及DSP，可以使控制电路结构简化，集成度高。由于数字芯片一般价格比较高，所以在此采用模拟集成电路。主电路采用全桥逆变结构，SPWM波的产生采用UC3637双PWM控制芯片，并采用美国IR公司推出的高压浮动驱动集成模块IR2110，从而减小了装置的体积，降低了成本，提高了系统的可靠性。经本电路放大后，信号可达3kV，并保持了良好的输出波形。

1    UC3637的原理与基本功能

    UC3637的原理框图如图1所示。其内部包含有一个三角波振荡器，误差放大器，两个PWM比较器，输出控制门，逐个脉冲限流比较器等。

图1    UC3637原理框图

    UC3637可单电源或双电源工作，工作电压范围±（2.5～20）V，特别有利于双极性调制；双路PWM信号，图腾柱输出，供出或吸收电流能力100mA；逐个脉冲限流；内藏线性良好的恒幅三角波振荡器；欠压封锁；有温度补偿；2.5V阈值控制。

    UC3637最具特色的是三角波振荡器，三角波产生电路如图2所示。三角波参数按式（1）及式（2）计算。

    I_s=（1）

    f=（2）

式中：V_TH为三角波峰值的转折（阈值）电压；

      V_s为电源电压；

      R_T为定时电阻；

      C_T为定时电容；

      I_s为恒流充电电流；

      f为振荡频率。

图2    三角波产生电路

    UC3637具有一个高速、带宽为1MHz、输出低阻抗的误差放大器，既可以作为一般的快速运放，亦可作为反馈补偿运放。UC3637实现其主要功能的就是两个PWM比较器，实现电路如图3所示。其他还有如欠压封锁，2.5V阈值控制等功能，这些功能在应用电路中也给予实现。

图3    PWM产生电路

2    IR2110的结构与应用

    IR2110的内部功能框图如图4所示。它由三个部分组成：逻辑输入，电平平移及输出保护。

图4    IR2110内部功能框图

    IR2110具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达600V，在15V下静态功耗仅116mW；输出的电源端（脚3V_cc，即功率器件的栅极驱动电压）电压范围10～20V；逻辑电源电压范围（脚9V_DD）3.3～20V，可方便地与TTL或CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有±5V的偏移量；工作频率高，可达100kHz；开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns；图腾柱输出峰值电流为2A。

    下面分析高压侧悬浮驱动的自举原理。

    IR2110用于驱动半桥的电路如图5所示。图中C₁及V_D1分别为自举电容和二极管，C₂为V_cc的滤波电容。假定在S₁关断期间C₁已充到足够的电压（V_c1≈V_cc）。当脚10（HIN）为高电平时V_M1开通，V_M2关断，V_c1加到S₁的门极和发射极之间，C₁通过V_M1，R_g1和S₁栅极－发射极电容C_ge1放电，C_ge1被充电。此时V_c1可等效为一个电压源。当脚10（HIN）为低电平时，V_M2开通，V_M1断开，S₁栅电荷经R_g1，V_M2迅速释放，S₁关断。经短暂的死区时间（t_d）之后，脚12（LIN）为高电平,S₂开通，V_cc经V_D1，S₂给C₁充电，迅速为C₁补充能量。如此循环反复。

图5    IR2110用于驱动半桥的电路

    IR2110的不足是保护功能不够及其自身不具有负偏压。为此，给它外加了一个负偏压电路，具体见图6。

图6    采用IR2110驱动电路

3    应用UC3637和IR2110构成控制驱动电路

    图6是IR2110构成的驱动电路。由图6可见用两片IR2110可以驱动一个逆变全桥电路，它们可以共用同一个驱动电源而不须隔离，使驱动电路极其简化。IR2110本身不能产生负偏压。由驱动电路可见本电路在每个桥臂各加了负偏压电路，以左半部为例，其工作过程如下：V_DD上电后通过R₁给C₁充电，并在V_W1的钳位下形成＋5.1V电压V_c1，当IR2110的脚1（LO）输出为高电平时，下管有（V_DD－5.1）V的驱动电压，同时在下管关断时下管的栅源之间形成一个－5.1V的偏压；下管开通同时脚1（LO）输出高电平通过R_g2，R₂开通MOSFET让C₃进行充电;当IR2110的脚7（HO）输出为高电平时，由C₃放电提供上管开通电流，同时给C₂充电并由V_W2钳位＋5.1V，下管关断时V_c2即形成负偏压。为了只用IR2110的保护功能，把脚11（SD）端接地。

    图7是用UC3637产生PWM波的电路。由图7可知，这是一个开环小信号放大电路，因为，小信号的电压幅值相对三角波幅值过低，所以，小信号先经过UC3637本身的Error运算放大器进行放大，使其幅值约等于三角波的幅值。本电路没有利用UC3637做死区，而是单独作了一个死区延时。然后把放大的信号直接和三角波进行比较，分别在UC3637的脚4及脚7输出反相的SPWM波，经过死区延时电路、滤杂波电路、隔离电路送到IR2110驱动芯片。

图7    采用UC3637的PWM产生电路

    设计电路应注意以下问题：

    1）UC3637的RT和CT要适当选择，避免RT上的电流过大，损坏片子；

    2）驱动电路中C₂值要远远大于上管的栅源极之间的极间电容值；

    3）IR2110的自举元件电容的选择取决于开关频率，V_DD及功率MOSFET的栅源极的充电需要，二极管的耐压值必须高于峰值电压，其功耗应尽可能小并能快速恢复；

    4）IR2110的驱动脉冲上升沿取决于R_g，R_g值不能过大以免使其驱动脉冲的上升沿不陡，但也不能使驱动均值电流过大以免损坏IR2110；

    5）当PWM产生电路是模拟电路时可以直接把信号接到IR2110；当用采数字信号时要考虑隔离；

    6）注意直流偏磁问题。

4    实验结果

    由一个信号发生器模拟输入，UC3637产生63kHz的三角波，直流母线电压是220V。本电路分别在假性负载和压电陶瓷负载下做实验，输出端输出很好的放大信号。

    图8是在实验室做单频正弦输入信号上下功率MOSFET的驱动波形，图9是逆变桥的输出。图10也是输出波形（时间参数变化），图11是M=0.1时带假性负载的负载波形。

图8    上下开关管驱动波形

图9    逆变桥输出波形（量程所限）

图10    逆变桥输出波形

图11    负载波形

    真正的信号是一个随机的信号，负载是一个压电换声器，本电路在M≌1.0，变压器变比为1∶7时，能使小信号放大到峰值3.2kV，输出有效值能到680V，放大信号失真很小，满足技术要求。由于高压示波器没有接口，而未能把负载两端的波形拍出来。

5    结语

    1）UC3637采用为数不多的集成电路，就可构成一个完整的逆变控制电路，控制电路简单、实用，硬件投资不高，使用证明性能稳定，可靠；

    2）UC3637和IR2110具有很高的抗干扰性能，一片IR2110在较大功率下可安全驱动功率MOSFET或IGBT的半桥；

    3）由于IR2110具有双通道驱动特性，且电路简单，使用方便，价格相对EXB841便宜，具有较高的性价比。