一種新型高壓大功率小信號放大電路

1、一種新型高壓大功率小信號放大電路摘 要：簡要分析了UC3637雙PWM控制器和IR2110的特點，工作原理。由UC3637和IR2110共同構建一種高壓大功率小信號放大電路，并通過 實驗驗證了其可行性。 關鍵詞：小信號放大器；雙脈寬調制；懸浮驅動；高壓大功率 0    引言     現(xiàn)有的很多小信號放大電路都是由晶體管或MOS管的放大電路構成，其功率有限，不能把電路的功率做得很大。隨著現(xiàn)代逆變技術的逐步成熟，尤其是 SPWM逆變技術，使信號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技術的實現(xiàn)方法有兩種，一

2、種是采用模擬集成電路完成 正弦調制波與三角波載波的比較，產(chǎn)生SPWM信號；另一種是采用數(shù)字方法。隨著應用的深入和集成技術的發(fā)展，已商品化的專用集成電路（ASIC）和專用單 片機（8X196/MC/MD/MH）以及DSP，可以使控制電路結構簡化，集成度高。由于數(shù)字芯片一般價格比較高，所以在此采用模擬集成電路。主電路采 用全橋逆變結構，SPWM波的產(chǎn)生采用UC3637雙PWM控制芯片，并采用美國IR公司推出的高壓浮動驅動集成模塊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，信號可達3kV，并保持了良好的輸出波形。 1    UC3637的

3、原理與基本功能     UC3637的原理框圖如圖1所示。其內部包含有一個三角波振蕩器，誤差放大器，兩個PWM比較器，輸出控制門，逐個脈沖限流比較器等。 中國超聲波論壇,中國超聲論壇,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: Y  l中國超聲論壇 

4、60;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制；雙路PWM信號，圖騰柱輸出，供出或吸收電流能力 100mA；逐個脈沖限流；內藏線性良好的恒幅三角波振蕩器；欠壓封鎖；有溫度補償；2.5V閾值控制。     UC3637最具特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）計算。     Is=（1）     f=（2） 式中：VTH為三角波峰值的轉折（閾值）電壓；   

5、60;   Vs為電源電壓；       RT為定時電阻；       CT為定時電容；       Is為恒流充電電流；       f為振蕩頻率。 中國超聲論壇! S+ q& l" V  4 M3 i' F; i; p" M: d# M圖2    三角波產(chǎn)生電路    中國超聲論壇# L+ O* b; K; f9 p7 I8 S

6、! I4 xUC3637具有一個高速、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放，亦可作為反饋補償運放。UC3637實現(xiàn)其主要功能的就 是兩個PWM比較器，實現(xiàn)電路如圖3所示。其他還有如欠壓封鎖，2.5V閾值控制等功能，這些功能在應用電路中也給予實現(xiàn)。+ f/ 8 a0 r' f" z8 p0 |. c1 ( Y2 & K7 圖3    PWM產(chǎn)生電路 中國超聲論壇- t$ n, y( x5 k$ h8 M( e2    IR2110的結構與應用     IR2110

7、的內部功能框圖如圖4所示。它由三個部分組成：邏輯輸入，電平平移及輸出保護。 # t" r'   f: c中國超聲波論壇,中國超聲論壇,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內部功能框圖3 m0 g9 y: R$ 7 Q( IR2110 具有獨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 器件的柵極驅動電壓）電壓范圍

8、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100kHz；開通、關斷延遲小，分別為120ns和94ns；圖騰柱輸出峰值電流為2A。     下面分析高壓側懸浮驅動的自舉原理。     IR2110用于驅動半橋的電路如圖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關斷期間C1已充到足夠的電壓（Vc1Vcc）。當腳10（HIN）為高電平時VM1開通，VM2關

9、斷，Vc1加到S1的門極和發(fā)射極之間，C1通過VM1，Rg1和S1柵極發(fā)射極電容Cge1放電，Cge1被充電。此時Vc1可等效為一個電壓源。當腳10（HIN）為低電平時，VM2開通，VM1斷開，S1柵電荷經(jīng)Rg1，VM2迅速釋放，S1關斷。經(jīng)短暫的死區(qū)時間（td）之后，腳12（LIN）為高電平,S2開通，Vcc經(jīng)VD1，S2給C1充電，迅速為C1補充能量。如此循環(huán)反復。中國超聲論壇9 q  J1 i* O! f2 , ?2 l圖5    IR2110用于驅動半橋的電路       t; P8 : ?) W/ o.

10、( h5 ?IR2110的不足是保護功能不夠及其自身不具有負偏壓。為此，給它外加了一個負偏壓電路，具體見圖6。 中國超聲論壇; K* w* & L+ T6 t: b/ k$ q* _2 Q9 w/ i圖6    采用IR2110驅動電路 3    應用UC3637和IR2110構成控制驅動電路     圖6是IR2110構成的驅動電路。由圖6可見用兩片IR2110可以驅動一個逆變全橋電路，它們可以共用同一個驅動電源而不須隔離，使驅動電路極 其簡化。IR2110本身不能產(chǎn)生負偏壓。由驅動電路可見本電路在每個橋

11、臂各加了負偏壓電路，以左半部為例，其工作過程如下：VDD上電后通過R1給C1充電，并在VW1的鉗位下形成5.1V電壓Vc1，當IR2110的腳1（LO）輸出為高電平時，下管有（VDD5.1）V的驅動電壓，同時在下管關斷時下管的柵源之間形成一個5.1V的偏壓；下管開通同時腳1（LO）輸出高電平通過Rg2，R2開通MOSFET讓C3進行充電;當IR2110的腳7（HO）輸出為高電平時，由C3放電提供上管開通電流，同時給C2充電并由VW2鉗位5.1V，下管關斷時Vc2 即形成負偏壓。為了只用IR2110的保護功能，把腳11（SD）端接地。     圖7是用UC

12、3637產(chǎn)生PWM波的電路。由圖7可知，這是一個開環(huán)小信號放大電路，因為，小信號的電壓幅值相對三角波幅值過低，所以，小信號先經(jīng) 過UC3637本身的Error運算放大器進行放大，使其幅值約等于三角波的幅值。本電路沒有利用UC3637做死區(qū)，而是單獨作了一個死區(qū)延時。然后把 放大的信號直接和三角波進行比較，分別在UC3637的腳4及腳7輸出反相的SPWM波，經(jīng)過死區(qū)延時電路、濾雜波電路、隔離電路送到IR2110驅動芯 片。中國超聲波論壇,中國超聲論壇,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% ' &

13、#39; p圖7    采用UC3637的PWM產(chǎn)生電路     - f/ 6 W- n. r# z設計電路應注意以下問題：     1）UC3637的RT和CT要適當選擇，避免RT上的電流過大，損壞片子；     2）驅動電路中C2值要遠遠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關頻率，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

14、應盡可能小并能快速恢復；     4）IR2110的驅動脈沖上升沿取決于Rg，Rg 值不能過大以免使其驅動脈沖的上升沿不陡，但也不能使驅動均值電流過大以免損壞IR2110；     5）當PWM產(chǎn)生電路是模擬電路時可以直接把信號接到IR2110；當用采數(shù)字信號時要考慮隔離；     6）注意直流偏磁問題。 4    實驗結果     由一個信號發(fā)生器模擬輸入，UC3637產(chǎn)生63kHz的三角波，直流母線電壓是220V

15、。本電路分別在假性負載和壓電陶瓷負載下做實驗，輸出端輸 出很好的放大信號。     圖8是在實驗室做單頻正弦輸入信號上下功率MOSFET的驅動波形，圖9是逆變橋的輸出。圖10也是輸出波形（時間參數(shù)變化），圖11是M=0.1時帶假性負載的負載波形。中國超聲波論壇,中國超聲論壇,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  / 中國超聲波論壇,中國超聲論壇,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

16、W1 X8 K+ " I: Y0 M0 N6 - 4 b& A5 b' d中國超聲波論壇,中國超聲論壇,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    上下開關管驅動波形 圖9    逆變橋輸出波形（量程所限） 圖10    逆變橋輸出波形 圖11    負載波形     真正的信號是一個隨機的信號，負載是一個壓電換聲器，本電路在M1.0， 變壓器變比為17時，能使小信號放大到峰值3.2kV，輸出有效值能到680V，放大信號失真很小，滿足技術要求。由于高壓示波器沒有接口，而未能把負 載兩端的波形拍出來。 5    結