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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
引言
現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，并且可以做到高電壓，大電流，大功率。SPWM技術的實現方法有兩種，一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，產生SPWM信號；另一種是采用數字方法。隨著應用的深入和集成技術的發展，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，提高了系統的可靠性。經本電路放大后，信號可達3kV，并保持了良好的輸出波形。
圖1
1UC3637的原理與基本功能
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。
UC3637可單電源或雙電源工作，工作電壓范圍±（2.5～20）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，三角波產生電路如圖2所示。三角波參數按式（1）及式（2）計算。
Is=[（+VTH）-（-Vs）]/RT（1）
f=Is/{2CT[(+VTH)-(-VTH)]}（2）
式中：VTH為三角波峰值的轉折（閾值）電壓；
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。C3637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實現其主要功能的就是兩個PWM比較器，實現電路如圖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。
2IR2110的結構與應用
IR2110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。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10～20V；邏輯電源電壓范圍（腳9VDD）3.3～20V，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（Vc1≈Vcc）。當腳10（HIN）為高電平時VM1開通，VM2關斷，Vc1加到S1的門極和發射極之間，C1通過VM1，Rg1和S1柵極－發射極電容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Rg1，VM2迅速釋放，S1關斷。經短暫的死區時間（td）之后，腳12（LIN）為高電平,S2開通，Vcc經VD1，S2給C1充電，迅速為C1補充能量。如此循環反復。
圖4
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。
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本身不能產生負偏壓。由驅動電路可見本電路在每個橋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（VDD－5.1）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UC3637產生PWM波的電路。由圖7可知，這是一個開環小信號放大電路，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，而是單獨作了一個死區延時。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，經過死區延時電路、濾雜波電路、隔離電路送到IR2110驅動芯片。
圖6
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；
圖7
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產生電路是模擬電路時可以直接把信號接到IR2110；當用采數字信號時要考慮隔離；
6）注意直流偏磁問題。
4實驗結果
由一個信號發生器模擬輸入，UC3637產生63kHz的三角波，直流母線電壓是220V。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（時間參數變化），圖11是M=0.1時帶假性負載的負載波形。
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M?1.0，變壓器變比為1∶7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結語
1）UC3637采用為數不多的集成電路，就可構成一個完整的逆變控制電路，控制電路簡單、實用，硬件投資不高，使用證明性能穩定，可靠；
9、10和11圖
2）UC3637和IR2110具有很高的抗干擾性能，一片IR2110在較大功率下可安全驅動功率MOSFET或IGBT的半橋；
3）由于IR2110具有雙通道驅動特性，且電路簡單，使用方便，價格相對EXB841便宜，具有較高的性價比。
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