一款俄制军用电源的技术剖析中讲解.docx
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一款俄制军用电源的技术剖析中讲解
一款俄制军用电源的技术剖析(中)
成都电子技术支持工程师:
郑国全(原创)
四、整体电路分析
总体上可以把该电源分成四个部分,本机供电电源、电源逆变电路、保护电路、启动与信号反馈电路。
1、本机电源由~220V50Hz交流电整流滤波得到310V直流,通过防电容充电冲击
电路后,供给逆变电路使用,同时由开关电源产生三路低压直流供本机各工作电路使用。
如图1,图2所示:
图1
图2
2、电源逆变电路、是本机的核心部分,
逆变电路的工作思路是首先由硬件电路合成400Hz正弦波作为调制信号,输入开关电源控制芯片K1156ЕУ2А的电压控制端,控制芯片工作在75KHz,控制芯片在调制信号的控制下产生脉冲宽度随调制信号变化的触发脉冲。
如图3所示,具体电路笔者已经在上篇论文中做了剖析,这里再作以下说明:
图3
图4
在对输出信号进行电压负反馈控制时,正弦波的正半周输出电压越高负反馈的信号也越高,可以通过反馈控制正半周的电压幅度,而正弦波的负半周电压越高代表电压越弱,而反馈信号也是强的,结果负半周电压更弱,负半周无法进行电压控制。
实际电路采用电压比较器把400Hz正弦波转化为400Hz50%占空比的正负脉冲,作为开关切换信号。
用这个切换信号控制模拟开关,把合成的400Hz正弦波以及输出反馈回来的正弦波信号都切换为800Hz的脉动正弦半波,再分别输入K1156ЕУ2А开关电源控制芯片的同相端和反相端,这样在输出端就可以得到800Hz电压可调的正弦半波脉动电压。
用同样的开关切换信号,推动另一个4只开关功率管组成的桥式变换电路,在一个半周让电路正向导通,在下一个半周让电路反向导通,这样就把正弦半波脉动电压切换为完整的110V400Hz正弦波电压输出。
如图4
实际电路总图如图5,图太小了看不清楚,我们把它分为7个小图,后面分别进行放大,并以图11~图17列出,后面将详细进行解剖分析。
图5
3、本电源实际有完善的保护电路。
本机工作电源关闭保护、系统过热保护、输出过流保护、输出过压保护。
1)本机工作电源关闭保护电路如图6
图6
当内部电路正常工作时,在比较器反相端有高电平输入,比较器输出低电平,电源可以正常启动。
当内部电路工作不正常时,比较器输出为高电平,逆变器关闭。
2)系统过热保护电路如图7:
过热保护电路采用负温度系数热敏电阻AN2,当系统工作在设定温度以下时,AN2阻值较大,比较器反相端电压高于同相端,比较器输出低电平,逆变器正常工作。
当温度过高时,AN2阻值减小,使比较器输出高电平,逆变器停止工作。
五、驱动电路
驱动电路是开关电源的灵魂,是连接控制单元与功率管的桥梁。
控制单元出来的电平一般无法直接驱动功率管,需要有一个电平转换以及电流驱动电路来完成功率器件的开关动作;对于驱动电路而言,功率管的栅极即为负载,一般的功率管栅源之间有一个寄生电容,故驱动电路的负载是一个容性负载,若驱动电流不够,或提高频率,方波会产生畸变,无法达到设计目的。
因此功率电子的驱动是整个设计的重点,也是难点。
开关电源中的功率管要求在关断时能立即关断,并能维持关断时漏电流等于零;在导通时要求能迅速导通,并且保持导通时管压降近似为零。
开关管趋于关断时的下降时间和趋于导通时的上升时间的快慢是降低开关晶体管损耗功率,提高开关稳压电源效率的关键因素。
要缩短这两个时间,除选择高反压、高速度、大功率开关管以外,主要还取决于加在开关管栅极的驱动信号。
驱动波形的要求是:
1)驱动波形的正向边缘一定要陡,幅度要大,从而减小开关管导通时的上升时间;
2)在导通期间内,要保证开关管处在饱和导通状态,以减小开关管的正向导通管压降,也就能降低导通时开关管的功率损耗;
3)当正向驱动结束,驱动幅度要立即减小,以便使开关管能很快脱离饱和区;
4)驱动波形的下降边缘也一定要陡,幅度要大,以减小开关管趋于截止时下降时间。
这些因素在设计IR2110芯片的时候就已经考虑到了,IR2110的特点是:
1、两路逻辑输入信号:
HIN、LIN低阻输出信号:
HO、LO;
2、保护端口:
SD,若SD=0则两通道都有输出,若SD=1,则两通道同时截止;
3、Vdd、Vcc分别为逻辑电源、工作电源;Vss、Com分别对应逻辑电源地与工作电源地V;
4、Vb为上部通道电源正端、Vs为上部通道浮动电源负端;
5、Vss与Com之间有-5V~+5V的偏移量,能够屏蔽小于50ns的脉冲;
6、Vb=Vs+10~Vs+20,因此在VB与VS要加稳压二极管限制,一般为12V左右;
7、自举电容的选取:
一般用一个大电容与一个小电容并联,如1uF并0.1uF;
8、芯片自身有整形功能,不论其输入信号前后沿陡度如何,都可保证加到被驱动MOSFET栅极上的驱动信号前后沿很陡,因而可极大地减少被驱动功率器件的开关时间,降低开关管的损耗。
9、IR2110的功耗很小,故可极大地减小应用它来驱动功率MOS器件时栅极驱动电路的电源容量。
从而可减小栅极驱动电路的体积和尺寸,当其工作电源电压为15V时,其自身功耗仅为1.6mW。
10、IR2110可对输入的两个通道信号之间产生合适的延时,保证加到被驱动的同桥臂上的两个功率MOS管器件的驱动信号之间有一互锁时间间隔,防止了被驱动的逆变桥中两个功率MOS管器件同时导通,防止可能存在的直通短路危险。
11、IR2110的最高工作频率大于1MHz。
这是因为它的内部对信号的延时很小。
对两个通道来说,其典型开通延时为120ns,而关断延时为94ns,且两个通道之间的延时误差不超过±-10ns,所以才能够具有那么高的工作频率。
12、IR2110的输出级采用推挽结构( 推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管导通的时候另一个截止)来驱动功率MOSFET,输出最大为2A的驱动电流,且开关速度很快,当所驱动的功率MOS器件的栅极等效电容为1000pF时,该开关时间的典型值为25ns。
下图8是厂家给出的经典应用电路图:
图8是厂家给出的经典应用电路图。
图8中,C2为自举电容,VCC经D2、C3、负载、Q2功率管,向C2充电,以确保在Q2关闭Q1导通时,Q1管的栅极能够依靠C2上的储能来进行驱动。
对于自举电容的选择,一般是用一个大电解与一个小电容并联使用,在频率为20KHz左右的工作状态下,选用1F和0.1F电容并联,并联的小电容其高频特性一定要优良,用它可以吸收高频率的毛刺干扰杂波。
驱动大功率的IGBT,在工作频率较低时,要注意自举电容的电压稳定性问题,其中常见的是驱动波形峰顶电压如果出现下降现象,则必须要选取再大些容量的电容。
根据器件的极限参数,VB高于VS电压的最大值为20V,高于20V就可能造成器件的损坏。
为了避免VB的过电压给器件可能带来的危害,在VB和VS之间要专门设置稳压管,在电路中就是DW1。
而电路中D2设置的功能就是用来防止Q1导通时它的高电压对芯片VCC端的伤害。
IR2110是一种双通道高压、高速电压型功率开关器件栅极驱动器,具有自举浮动电源,驱动电路十分简单,只用一个电源可同时驱动上下桥臂。
但是IR2110芯片有它自身的缺陷,由于不能产生负压,在抗干扰性能方面较差,下面会根据这款开关电源的实际电路详细介绍抗干扰技术方面的改进电路。
IR2110包括:
逻辑输入、电平转换、保护、上桥臂侧输出和下桥臂侧输出。
逻辑输入端采用施密特触发电路,提高抗干扰能力。
输入逻辑电路与TTL/COMS电平兼容,其输入引脚阈值为电源电压Vdd的10%,各通道相对独立。
由于逻辑信号均通过电平耦合电路连接到各自的通道上,允许逻辑电路参考地(VSS)与功率电路参考地(COM)之间有-5V~+5V的偏移量,并且能屏蔽小于50ns脉冲,这样便具有较理想的抗噪声效果。
两个高压MOS管推挽驱动器的最大灌入或输出电流可达2A,上桥臂通道可以承受500V的电压。
输入与输出信号之间的传导延时较小,开通传导延时为120ns,关断传导延时为95ns。
电源VCC典型值为15V,逻辑电源和模拟电源共用一个15V电源,逻辑地和模拟地接在一起。
输出端设有对功率电源VCC的欠压保护,当小于8.2V时,封锁驱动输出。
IR2110具有很多优点:
自举悬浮驱动电源可同时驱动同一桥臂的上、下两个开关器件,驱动500V主电路系统,工作频率高,可以达到500kHz;具有电源欠压保护相关断逻辑;输出用图腾柱结构,驱动峰值电流为2A;两通道设有低压延时封锁(50ns)。
芯片还有一个封锁两路输出的保护端SD,在SD输入高电平时,两路输出均被封锁。
IR2110的优点,给实际系统设计带来了极大方便,特别是自举悬浮驱动电源大大简化了驱动电源设计,只用一路电源即可完成上下桥臂两个功率开关器件的驱动。
图8电路在实际应用上却有一些问题:
当高压侧电压缓慢地往上升时可以在示波器上面清楚的看到毛刺越来越严重,电压较低时管子发热严重,芯片很容易烧掉。
这些问题都是由于IR2110自身不足产生的,IR2110不能产生负偏压,如果用于驱动桥式电路,在半桥电感负载电路下运行,处于关断状态下的IGBT,由于其反并联二极管的恢复过程,将承受C-E电压的急剧上升。
此静态的dv/dt通常比IGBT关断时的上升率高。
由于密勒效应,此dv/dt在集电极,栅极问电容内产生电流,流向栅极驱动电路,如图3所示。
虽然在关断状态时栅极电压Vg为零,由于栅极电路的阻抗(栅极限流电阻Rg,引线电感Lg),该电流令VGE增加,趋向于VGE(th)。
最严重的情况是该电压达到阈值电压,使IGBT导通,导致桥臂短路。
IR2110驱动输出阻抗不够小,沿栅极的灌人电流会在驱动电压上加上比较严重的毛刺干扰。
怎么做改进呢?
我们看到在实际的这款电源里,在IR2110电路上增加了负压部分,是由D1、D2引进的,所以对D1、D2的要求就是它们必须是快恢复型的。
参看图9:
图9是实际的电路图,和厂家的经典应用图有一些差别。
六.电源实际测绘图
图10-1、10-2是笔者整理出来的电源工作过程图,为了尽量可以看清楚一些,我分成为上下部分,看的时候需要把二者重叠起来。
电源机器的工作过程图是为了方便理解电源的整图整理出来的。
图11~图17都是电源电路总图的单元电路图,以方便大家查看。
图10-1
图10-2:
图11。
图12。
图13.
图14.
图15。
图16
图17.
七、运算放大器
在俄制设备的电路中,我们会见到很多运算放大器,这是俄制设备的一个特色。
其实笔者特别欣赏这一点。
俄制的电子器件都是特别粗壮芯片外面一般都有一个很厚的铁壳起保护作用,下面的几幅照片是一款俄制设备的印制板局部图大家可以参考一下,俄罗斯器件都是这样。
这些设备的特点就是经得起摔打,适应在特别恶劣的环境下工作,不怕电磁脉冲的冲击,我们在航天、航海、航空的设备中,也应该学习这种设计的理念。
我不赞成照搬,但是完全可以在实现功能电路模块化的基础上,以多重防护全面屏蔽来制作设备。
特别是海军舰艇上面,海风和海水的腐蚀性太强了,不锈钢都不能幸免腐蚀。
同时运算放大器又是一款功能最为完善的电子器件,它几乎可以完成所有的电路功能,比如放大、振荡、加法、减法、乘法、除法等等,而且其性能稳定、电气指标优异。
图18.
图19.
图20.
八、平面变压器
其实在俄制设备中,早就在采用平面变压器了。
平面变压器具备很多的优点,这是众所周知的。
我们在测试俄制设备时,发现它们在EMC指标上都比较优秀,反复分析后得出结论:
在产品中俄制设备采用平面变压器一类的高频磁技术是关键原因。
(未完)
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