一种新型高压大功率小信号放大电路_电源技术论文
关键词：小信号放大器；双脉宽调制；悬浮驱动；高压大功率
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。
图1
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。
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。
is=[（+vth）-（-vs）]/rt （1）
f=is/{2ct[(+vth)-(-vth)]} （2）
式中：vth为三角波峰值的转折（阈值）电压；
vs为电源电压；
rt为定时电阻；
ct为定时电容；
is为恒流充电电流；
f为振荡频率。c3637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。
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。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3vcc，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9vdd）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vd1分别为自举电容和二极管，c2为vcc的滤波电容。假定在s1关断期间c1已充到足够的电压（vc1≈vcc）。当脚10（hin）为高电平时vm1开通，vm2关断，vc1加到s1的门极和发射极之间，c1通过vm1，rg1和s1栅极－发射极电容cge1放电，cge1被充电。此时vc1可等效为一个电压源。当脚10（hin）为低电平时，vm2开通，vm1断开，s1栅电荷经rg1，vm2迅速释放，s1关断。经短暂的死区时间（td）之后，脚12（lin）为高电平,s2开通，vcc经vd1，s2给c1充电，迅速为c1补充能量。如此循环反复。
图4
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。
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：vdd上电后通过r1给c1充电，并在vw1的钳位下形成＋5.1v电压vc1，当ir2110的脚1（lo）输出为高电平时，下管有（vdd－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rg2，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vw2钳位＋5.1v，下管关断时vc2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6
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；
图7
3）ir2110的自举元件电容的选择取决于开关频率，vdd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rg，rg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。
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m1.0，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；
9、10和11图
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。