功率穩(wěn)壓逆變電源的設(shè)計(jì)與制作

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題的。筆者曾用過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，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。
 
采用雙極型開關(guān)管的逆變器，基極驅(qū)動(dòng)電流基本上為開關(guān)電流的1/β，因此大電流開關(guān)電路必須采用多級放大，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無法直接驅(qū)動(dòng)。雖說采用多級放大可以達(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管作開關(guān)器件。

一、MOSFET管的應(yīng)用

近年來，金屬氧化物絕緣柵場效應(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、雙極性三極管作為輸出的組合器件。因此，IGBT既有絕緣柵場效應(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、大功率逆變器和開關(guān)電源等電路中。

一般中功率開關(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)電壓的建立過程被延緩，開關(guān)管導(dǎo)通損耗增大。

二、MOSFET的驅(qū)動(dòng)

近年來，隨著MOS FET生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，各種開關(guān)電源、變換器都廣泛采用MOS FET管作為高頻高壓開關(guān)電路，但是，專用于驅(qū)動(dòng)MOS FET管的集成電路國內(nèi)極少見。驅(qū)動(dòng)MOS FET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，普通用于雙極型開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)IC不能直接用于驅(qū)動(dòng)場效應(yīng)管。

目前就世界范圍來說，可直接驅(qū)動(dòng)MOS FET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溝道場效應(yīng)管)、SG3527A(驅(qū)動(dòng)P溝道場效應(yīng)管)和SG3526N(驅(qū)動(dòng)N溝道場效應(yīng)管)。然而在開關(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MOS FET管應(yīng)用普及，又開發(fā)了不少新電路，可將其用于驅(qū)動(dòng)MOS FET管，解決MOS FET的驅(qū)動(dòng)無非包括兩個(gè)內(nèi)容：一是降低驅(qū)動(dòng)IC的輸出阻抗；二是增設(shè)MOS FET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。

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)正程脈沖過后，若開關(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，過一死區(qū)時(shí)間，第二路方開始輸出。兩路驅(qū)動(dòng)級采用雙極型三極管集射極開路輸出，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)脈沖上升沿開始，正極性脈沖通過二極管D加到MOS FET開關(guān)管柵—源極，對柵源極電容CGS充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到開關(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Q的ec極放電，Q的集電極電流為灌電流通路。R2為開關(guān)管的柵極電阻，目的是避免開關(guān)管的柵極在Q、D轉(zhuǎn)換過程中懸空，否則其近似無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)選用快速開關(guān)二極管。Q的集電極電流應(yīng)根據(jù)開關(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關(guān)二極管。

三、TL494應(yīng)用

目前所有的雙端輸出驅(qū)動(dòng)IC中，可以說美國德克薩斯儀器公司開發(fā)的TL494功能最完善、驅(qū)動(dòng)能力最強(qiáng)，其兩路時(shí)序不同的輸出總電流為SG3525的兩倍，達(dá)到400mA。僅此一點(diǎn)，使輸出功率千瓦級及以上的開關(guān)電源、DC/DC變換器、逆變器，幾乎無一例外地采用TL494。雖然TL494設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)雙極型開關(guān)管，然而目前絕大部分采用MOS FET開關(guān)管的設(shè)備，利用外設(shè)灌流電路，也廣泛采用TL494。為此，本節(jié)中將詳細(xì)介紹其功能及應(yīng)用電路。其內(nèi)部方框圖如圖3所示。其內(nèi)部電路功能、特點(diǎn)及應(yīng)用方法如下：

A.內(nèi)置RC定時(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)雙極性開關(guān)管，增設(shè)灌電流通路后，還能驅(qū)動(dòng)MOS FET開關(guān)管。

B.內(nèi)部設(shè)有比較器組成的死區(qū)時(shí)間控制電路，用外加電壓控制比較器的輸出電平，通過其輸出電平使觸發(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)序不同的驅(qū)動(dòng)脈沖，驅(qū)動(dòng)推挽開關(guān)電路和半橋開關(guān)電路，同時(shí)也可輸出同相序的單端驅(qū)動(dòng)脈沖，驅(qū)動(dòng)單端開關(guān)電路。

E.輸出驅(qū)動(dòng)電流單端達(dá)到400mA，能直接驅(qū)動(dòng)峰值電流達(dá)5A的開關(guān)電路。雙端輸出脈沖峰值為2×200mA，加入驅(qū)動(dòng)級即能驅(qū)動(dòng)近千瓦的推挽式和橋式電路。

TL494的各腳功能及參數(shù)如下：第1、16腳為誤差放大器A1、A2的同相輸入端。最高輸入電壓不超過Vcc+0.3V。第2、15腳為誤差放大器A1、A2的反相輸入端?？山尤胝`差檢出的基準(zhǔn)電壓。第3腳為誤差放大器A1、A2的輸出端。集成電路內(nèi)部用于控制PWM比較器的同相輸入端，當(dāng)A1、A2任一輸出電壓升高時(shí)，控制PWM比較器的輸出脈寬減小。同時(shí)，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，一則穩(wěn)定誤差放大器的增益，二則防止其高頻自激。另外，第3腳電壓反比于輸出脈寬，也可利用該端功能實(shí)現(xiàn)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。如果電壓超過1V，內(nèi)部比較器將關(guān)斷觸發(fā)器的輸出脈沖。第5腳為鋸齒波振蕩器外接定時(shí)電容端，第6腳為鋸齒波振蕩器外接定時(shí)電阻端，一般用于驅(qū)動(dòng)雙極性三極管時(shí)需限制振蕩頻率小于40kHz。第7腳為接地端。第8、11腳為兩路驅(qū)動(dòng)放大器NPN管的集電極開路輸出端。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。用于誤差檢出基準(zhǔn)電壓和控制模式的控制電壓。TL494的極限參數(shù)：最高瞬間工作電壓(12腳)42V，最大輸出電流250mA，最高誤差輸入電壓Vcc+0.3V，測試/環(huán)境溫度≤45℃，最大允許功耗1W，最高結(jié)溫150℃，使用溫度范圍0～70℃，保存溫度-65～+150℃。

TL494的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)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取值范圍1.8～500kΩ，CT取值范圍4700pF～10μF，最高振蕩頻率(fOSC)≤300kHz。

圖4為外刊介紹的利用TL494組成的400W大功率穩(wěn)壓逆變器電路。它激式變換部分采用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開關(guān)管。如需提高輸出功率，每路可采用3～4只開關(guān)管并聯(lián)應(yīng)用，電路不變。TL494在該逆變器中的應(yīng)用方法如下：

第1、2腳構(gòu)成穩(wěn)壓取樣、誤差放大系統(tǒng)，正相輸入端1腳輸入逆變器次級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，誤差放大器輸出低電平，通過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前級供電端，此三端通過開關(guān)S控制TL494的啟動(dòng)/停止，作為逆變器的控制開關(guān)。當(dāng)S1關(guān)斷時(shí)，TL494無輸出脈沖，因此開關(guān)管VT4～VT6無任何電流。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)級三極管發(fā)射極，輸出兩路時(shí)序不同的正脈沖。正常時(shí)電壓值為1.8V。第13、14、15腳其中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，用于推挽開關(guān)電路。第15腳外接5V電壓，構(gòu)成誤差放大器反相輸入基準(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)，可通過穩(wěn)壓作用降低輸出電壓，或關(guān)斷驅(qū)動(dòng)脈沖而實(shí)現(xiàn)保護(hù)。在它激逆變器中輸出超壓的可能性幾乎沒有，故該電路中第16腳未用，由電阻R8接地。

該逆變器采用容量為400VA的工頻變壓器，鐵芯采用45×60mm2的硅鋼片。初級繞組采用直徑1.2mm的漆包線，兩根并繞2×20匝。次級取樣繞組采用0.41mm漆包線繞36匝，中心抽頭。次級繞組按230V計(jì)算，采用0.8mm漆包線繞400匝。開關(guān)管VT4～VT6可用60V/30A任何型號的N溝道MOS FET管代替。VD7可用1N400X系列普通二極管。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，為了避免初級電流過大，增大電阻性損耗，宜將蓄電池改用24V，開關(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的開關(guān)管，其原因是：一則價(jià)格較高，二則驅(qū)動(dòng)太困難。建議選用100V/32A的2SK564，或選用三只2SK906并聯(lián)應(yīng)用。同時(shí)，變壓器鐵芯截面需達(dá)到50cm2，按普通電源變壓器計(jì)算方式算出匝數(shù)和線徑，或者采用廢UPS-600中變壓器代用。如為電冰箱、電風(fēng)扇供電，請勿忘記加入LC低通濾波器。