一種新型高壓大功率小信號(hào)放大電路

1、一種新型高壓大功率小信號(hào)放大電路摘 要：簡(jiǎn)要分析了UC3637雙PWM控制器和IR2110的特點(diǎn)，工作原理。由UC3637和IR2110共同構(gòu)建一種高壓大功率小信號(hào)放大電路，并通過(guò) 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。 關(guān)鍵詞：小信號(hào)放大器；雙脈寬調(diào)制；懸浮驅(qū)動(dòng)；高壓大功率 0 引言 現(xiàn)有的很多小信號(hào)放大電路都是由晶體管或MOS管的放大電路構(gòu)成，其功率有限，不能把電路的功率做得很大。隨著現(xiàn)代逆變技術(shù)的逐步成熟，尤其是 SPWM逆變技術(shù)，使信號(hào)波形能夠很好地在輸出端重現(xiàn)，并且可以做到高電壓，大電流，大功率。SPWM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法有兩種，一種是采用模擬集成電路完成 正弦調(diào)制波與三角波載波的比較，產(chǎn)生SPWM信號(hào)；

2、另一種是采用數(shù)字方法。隨著應(yīng)用的深入和集成技術(shù)的發(fā)展，已商品化的專用集成電路（ASIC）和專用單 片機(jī)（8X196/MC/MD/MH）以及DSP，可以使控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，集成度高。由于數(shù)字芯片一般價(jià)格比較高，所以在此采用模擬集成電路。主電路采 用全橋逆變結(jié)構(gòu)，SPWM波的產(chǎn)生采用UC3637雙PWM控制芯片，并采用美國(guó)IR公司推出的高壓浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)集成模塊IR2110，從而減小了裝置的體 積，降低了成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。經(jīng)本電路放大后，信號(hào)可達(dá)3kV，并保持了良好的輸出波形。 1 UC3637的原理與基本功能 UC3637的原理框圖如圖1所示。其內(nèi)部包含有一個(gè)三角波振蕩器，誤差放大器，兩個(gè)PW

3、M比較器，輸出控制門(mén)，逐個(gè)脈沖限流比較器等。 中國(guó)超聲波論壇,中國(guó)超聲論壇,超聲論壇,超聲波,超聲波論壇,超聲波清洗,超聲波資料,超聲,焊接,清洗,超聲波發(fā)生器,超聲波電源9 H# T* J. r+ % / t- N, ; R, o. W( g) b. 圖1 UC3637原理框圖+ d w! g. t3 Q$ n+ N2 i: Yl中國(guó)超聲論壇 UC3637可單電源或雙電源工作，工作電壓范圍（2.520）V，特別有利于雙極性調(diào)制；雙路PWM信號(hào)，圖騰柱輸出，供出或吸收電流能力 100mA；逐個(gè)脈沖限流；內(nèi)藏線性良好的恒幅三角波振蕩器；欠壓封鎖；有溫度補(bǔ)償；2.5V閾值控制。 UC3637最具特

4、色的是三角波振蕩器，三角波產(chǎn)生電路如圖2所示。三角波參數(shù)按式（1）及式（2）計(jì)算。 Is=（1） f=（2） 式中：VTH為三角波峰值的轉(zhuǎn)折（閾值）電壓； Vs為電源電壓； RT為定時(shí)電阻； CT為定時(shí)電容； Is為恒流充電電流； f為振蕩頻率。 中國(guó)超聲論壇! S+ q& l V4 M3 i F; i; p M: d# M圖2 三角波產(chǎn)生電路 中國(guó)超聲論壇# L+ O* b; K; f9 p7 I8 S! I4 xUC3637具有一個(gè)高速、帶寬為1MHz、輸出低阻抗的誤差放大器，既可以作為一般的快速運(yùn)放，亦可作為反饋補(bǔ)償運(yùn)放。UC3637實(shí)現(xiàn)其主要功能的就 是兩個(gè)PWM比較器，實(shí)現(xiàn)電路如圖3

5、所示。其他還有如欠壓封鎖，2.5V閾值控制等功能，這些功能在應(yīng)用電路中也給予實(shí)現(xiàn)。+ f/ 8 a0 r f z8 p0 |. c1 ( Y2 & K7 圖3 PWM產(chǎn)生電路 中國(guó)超聲論壇- t$ n, y( x5 k$ h8 M( e2 IR2110的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用 IR2110的內(nèi)部功能框圖如圖4所示。它由三個(gè)部分組成：邏輯輸入，電平平移及輸出保護(hù)。 # t r f: c中國(guó)超聲波論壇,中國(guó)超聲論壇,超聲論壇,超聲波,超聲波論壇,超聲波清洗,超聲波資料,超聲,焊接,清洗,超聲波發(fā)生器,超聲波電源6 m: I) u& E3 _) f6 ?圖4 IR2110內(nèi)部功能框圖3 m0 g9 y: R$

6、7 Q( IR2110 具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達(dá)600V，在15V下靜態(tài)功耗僅116mW；輸出的電源端（腳3Vcc，即功率 器件的柵極驅(qū)動(dòng)電壓）電壓范圍1020V；邏輯電源電壓范圍（腳9VDD）3.320V，可方便地與TTL或CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功 率地之間允許有5V的偏移量；工作頻率高，可達(dá)100kHz；開(kāi)通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns和94ns；圖騰柱輸出峰值電流為2A。 下面分析高壓側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)的自舉原理。 IR2110用于驅(qū)動(dòng)半橋的電路如圖5所示。圖中C1及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(guān)斷

7、期間C1已充到足夠的電壓（Vc1Vcc）。當(dāng)腳10（HIN）為高電平時(shí)VM1開(kāi)通，VM2關(guān)斷，Vc1加到S1的門(mén)極和發(fā)射極之間，C1通過(guò)VM1，Rg1和S1柵極發(fā)射極電容Cge1放電，Cge1被充電。此時(shí)Vc1可等效為一個(gè)電壓源。當(dāng)腳10（HIN）為低電平時(shí)，VM2開(kāi)通，VM1斷開(kāi)，S1柵電荷經(jīng)Rg1，VM2迅速釋放，S1關(guān)斷。經(jīng)短暫的死區(qū)時(shí)間（td）之后，腳12（LIN）為高電平,S2開(kāi)通，Vcc經(jīng)VD1，S2給C1充電，迅速為C1補(bǔ)充能量。如此循環(huán)反復(fù)。中國(guó)超聲論壇9 qJ1 i* O! f2 , ?2 l圖5 IR2110用于驅(qū)動(dòng)半橋的電路 ; t; P8 : ?) W/ o. ( h5

8、 ?IR2110的不足是保護(hù)功能不夠及其自身不具有負(fù)偏壓。為此，給它外加了一個(gè)負(fù)偏壓電路，具體見(jiàn)圖6。 中國(guó)超聲論壇; K* w* & L+ T6 t: b/ k$ q* _2 Q9 w/ i圖6 采用IR2110驅(qū)動(dòng)電路 3 應(yīng)用UC3637和IR2110構(gòu)成控制驅(qū)動(dòng)電路 圖6是IR2110構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路。由圖6可見(jiàn)用兩片IR2110可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)逆變?nèi)珮螂娐?，它們可以共用同一個(gè)驅(qū)動(dòng)電源而不須隔離，使驅(qū)動(dòng)電路極 其簡(jiǎn)化。IR2110本身不能產(chǎn)生負(fù)偏壓。由驅(qū)動(dòng)電路可見(jiàn)本電路在每個(gè)橋臂各加了負(fù)偏壓電路，以左半部為例，其工作過(guò)程如下：VDD上電后通過(guò)R1給C1充電，并在VW1的鉗位下形成5.1V電壓

9、Vc1，當(dāng)IR2110的腳1（LO）輸出為高電平時(shí)，下管有（VDD5.1）V的驅(qū)動(dòng)電壓，同時(shí)在下管關(guān)斷時(shí)下管的柵源之間形成一個(gè)5.1V的偏壓；下管開(kāi)通同時(shí)腳1（LO）輸出高電平通過(guò)Rg2，R2開(kāi)通MOSFET讓C3進(jìn)行充電;當(dāng)IR2110的腳7（HO）輸出為高電平時(shí)，由C3放電提供上管開(kāi)通電流，同時(shí)給C2充電并由VW2鉗位5.1V，下管關(guān)斷時(shí)Vc2 即形成負(fù)偏壓。為了只用IR2110的保護(hù)功能，把腳11（SD）端接地。 圖7是用UC3637產(chǎn)生PWM波的電路。由圖7可知，這是一個(gè)開(kāi)環(huán)小信號(hào)放大電路，因?yàn)椋⌒盘?hào)的電壓幅值相對(duì)三角波幅值過(guò)低，所以，小信號(hào)先經(jīng) 過(guò)UC3637本身的Error運(yùn)算放

10、大器進(jìn)行放大，使其幅值約等于三角波的幅值。本電路沒(méi)有利用UC3637做死區(qū)，而是單獨(dú)作了一個(gè)死區(qū)延時(shí)。然后把 放大的信號(hào)直接和三角波進(jìn)行比較，分別在UC3637的腳4及腳7輸出反相的SPWM波，經(jīng)過(guò)死區(qū)延時(shí)電路、濾雜波電路、隔離電路送到IR2110驅(qū)動(dòng)芯 片。中國(guó)超聲波論壇,中國(guó)超聲論壇,超聲論壇,超聲波,超聲波論壇,超聲波清洗,超聲波資料,超聲,焊接,清洗,超聲波發(fā)生器,超聲波電源8 N- G p, d% p圖7 采用UC3637的PWM產(chǎn)生電路 - f/ 6 W- n. r# z設(shè)計(jì)電路應(yīng)注意以下問(wèn)題： 1）UC3637的RT和CT要適當(dāng)選擇，避免RT上的電流過(guò)大，損壞片子； 2）驅(qū)動(dòng)電路

11、中C2值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上管的柵源極之間的極間電容值； 3）IR2110的自舉元件電容的選擇取決于開(kāi)關(guān)頻率，VDD及功率MOSFET的柵源極的充電需要，二極管的耐壓值必須高于峰值電壓，其功耗應(yīng)盡可能小并能快速恢復(fù)； 4）IR2110的驅(qū)動(dòng)脈沖上升沿取決于Rg，Rg 值不能過(guò)大以免使其驅(qū)動(dòng)脈沖的上升沿不陡，但也不能使驅(qū)動(dòng)均值電流過(guò)大以免損壞IR2110； 5）當(dāng)PWM產(chǎn)生電路是模擬電路時(shí)可以直接把信號(hào)接到IR2110；當(dāng)用采數(shù)字信號(hào)時(shí)要考慮隔離； 6）注意直流偏磁問(wèn)題。 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 由一個(gè)信號(hào)發(fā)生器模擬輸入，UC3637產(chǎn)生63kHz的三角波，直流母線電壓是220V。本電路分別在假性負(fù)載和壓電陶瓷負(fù)

12、載下做實(shí)驗(yàn)，輸出端輸 出很好的放大信號(hào)。 圖8是在實(shí)驗(yàn)室做單頻正弦輸入信號(hào)上下功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)波形，圖9是逆變橋的輸出。圖10也是輸出波形（時(shí)間參數(shù)變化），圖11是M=0.1時(shí)帶假性負(fù)載的負(fù)載波形。中國(guó)超聲波論壇,中國(guó)超聲論壇,超聲論壇,超聲波,超聲波論壇,超聲波清洗,超聲波資料,超聲,焊接,清洗,超聲波發(fā)生器,超聲波電源. ?* v5 K7 w/ 中國(guó)超聲波論壇,中國(guó)超聲論壇,超聲論壇,超聲波,超聲波論壇,超聲波清洗,超聲波資料,超聲,焊接,清洗,超聲波發(fā)生器,超聲波電源; s0 W1 X8 K+ I: Y0 M0 N6 - 4 b& A5 b d中國(guó)超聲波論壇,中國(guó)超聲論壇,超聲論壇,超聲波,超聲波論壇,超聲波清洗,超聲波資料,超聲,焊接,清洗,超聲波發(fā)生器,超聲波電源圖8 上下開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形 圖9 逆變橋輸出波形（量程所限） 圖10 逆變橋輸出波形 圖11 負(fù)載波形 真正的信號(hào)是一個(gè)隨機(jī)的信號(hào)，負(fù)載是一個(gè)壓電換聲器，本電路在M1.0， 變壓器變比為17時(shí)，能使小信號(hào)放大到峰值3.2kV，輸出有效值能到680V，放大信號(hào)失真很小，滿足技術(shù)要求。由于高壓示波器沒(méi)有接口，而未能把