1引言

在先前發(fā)表的“靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）的應(yīng)用研究”一文中，我們對國產(chǎn)SITH器件的基本特性作了研究，并研制了四種驅(qū)動電路。在這四種電路驅(qū)動下，SITH器件取得了0.2ms以下的開關(guān)速度?，F(xiàn)進(jìn)一步將驅(qū)動電路及SITH器件一起擴(kuò)展成實(shí)際的開關(guān)電源應(yīng)用電路，經(jīng)測試，得到了比較先進(jìn)的性能指標(biāo)。這樣，對SITH器件的應(yīng)用研究就更加全面，使得對它的推廣應(yīng)用打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

2電路研究

2.1應(yīng)用電路（一）

該應(yīng)用電路是一個開關(guān)電源，是鑒于以下幾點(diǎn)考慮而設(shè)計的：（1）針對電機(jī)調(diào)速、溫度控制等大功率應(yīng)用方向，確定是AC-DC變換，這里AC專指交流50周單相電壓220V工頻電網(wǎng)；（2）該電源輸入必須是高功率因數(shù)0.95以上，還必須是低噪擾，符合或優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)；（3）該電源效率要求在90%以上；（4）能體現(xiàn)SITH管的優(yōu)勢，避開其弱點(diǎn)。

這里采用了BOOST變換程式（圖1）。圖中R1：1kΩ；R2：20Ω；R3：10kΩ；R4：5kΩ；R5：5kΩ；R6：800kΩ；R7：10kΩ；R8：20kΩ；R9：1MΩ；R10：0.2Ω；R11：50kΩ；R12：10kΩ；C1：0.01mf；C2：200pf；C3：0.1mf；C4：50mf；C5：100mf/400V；C6：2mf/~250V；C7：2000pf；D1：12V/0.5W穩(wěn)壓二極管；D2：3A快恢二極管HER308；D3、D6：2A/400V整流橋；Q1、Q3：npn三極管8050；Q2：pnp三極管8550；Q4：VDMOS10A/30V；L1：2mH/1A高頻電感；L2：2mH/1A高頻電感；IC：UC3852。

UC3852的詳細(xì)工作原理請參閱TexasInstruments公司有關(guān)資料。要著重指出的是，UC3852是一種專門用來提高輸入功率因數(shù)的開關(guān)電源控制芯片，它的基本原理是在遠(yuǎn)高于50周的頻率下工作，控制開關(guān)管以一個恒定的時間Ton導(dǎo)通，導(dǎo)通時電感L2承受全部交流輸入電壓Vin。在Ton結(jié)束時，電感電流，也就是輸入電流Iin=(Vin/L2)×Ton，因此Iin與Vin成正比。接著，UC3852使開關(guān)管關(guān)閉，L2向負(fù)載端放電，Iin呈線性衰減，當(dāng)UC3852檢測到Iin衰減到零時，又控制開關(guān)管導(dǎo)通，進(jìn)入下一個Ton，見圖2。

圖中，上部是UC3852的驅(qū)動波形，高電平是驅(qū)動開關(guān)管導(dǎo)通，高電平的時間Ton是恒定的；下部是輸入電壓Vin和輸入電流Iin的波形。在Ton時段內(nèi)，Iin線性上升，上升的速率與當(dāng)時的Vin值成正比，由于每次都是從零開始，因此Iin的峰值也與Vin成正比。實(shí)際上，UC3852的工作頻率要比圖中表示的高得多，約25kHz。因此可認(rèn)為在每個三角形區(qū)段Vin恒定，則Iin的平均值也正比于Vin，經(jīng)過L1、C6低通濾波后，輸入電流波形與輸入電壓一致，則功率因數(shù)必然很高。這就是UC3852的簡單工作原理。

圖1的電路參數(shù)構(gòu)成一個輸出為100W的電路，SITH管為主開關(guān)，采用驅(qū)動電路（一）的方法，由Q1、Q2、Q3和Q4組成SITH管的驅(qū)動電路；L2是BOOST電感；C5是輸出濾波電容；R6、R7、R8、R9和C3組成反饋電路，供UC3852采用，控制輸出電壓穩(wěn)定；R12和C7是UC3852工作頻率的按時電路，這里定在25kHz左右；L1和C6是低通濾波器，阻止Iin中的高頻成分傳回電網(wǎng)；R10是電流采樣電阻，向UC3852供應(yīng)Iin的波形。

從圖2的波形上可以看出，這是一種電流非持續(xù)方式，它的好處是開關(guān)管總是從零電流開始導(dǎo)通，最終達(dá)到二倍的平均電流，從而使SITH管避開了導(dǎo)通慢的弱點(diǎn)，又發(fā)揚(yáng)了其大電流性能好的優(yōu)點(diǎn)。它又使二極管D2在正向電流到零后再承受反壓，避開了反向恢復(fù)損耗的問題。D2的用途是阻止輸出電容C5向L2和SITH管放電，它正向流過的就是負(fù)載電流，而反向承受的是400V電壓。測試中D2使用中速的快恢二極管，溫升很低。輸出電壓取400V是電路工作要求的（參閱TexasInstruments公司有關(guān)資料），因而不能降低。SITH管在關(guān)斷時也承受400V的反壓，對它來說余量較大，也是優(yōu)勢所在。

測得其重要指標(biāo)如下：輸入電壓：AC220V50Hz；輸入電流：0.58A；輸入功率：111W；功率因數(shù)：0.95；輸出電壓：DC410V，紋波峰峰值：Vpp=20V；輸出負(fù)載電阻：1610Ω；輸出功率：104W；效率：0.94。由此看來，SITH器件及其驅(qū)動電路滿足了要求，結(jié)果是令人滿意的。

然而，SITH管在工作時大約有3.5W左右的管耗，是電路中唯一有明顯溫升的器件。電路中使用的SITH管是TO-220封裝，最初加上50mm×60mm散熱片，開機(jī)5分鐘內(nèi)表面溫升達(dá)50℃，輸入功率新增了3W。后來，改用帶有風(fēng)扇的CpU散熱器，風(fēng)扇功率1W，開機(jī)15分鐘后，表面溫升仍不迢過5℃，輸入功率始終在111W左右。由此可以認(rèn)為，SITH管與其它電力器件相同，開關(guān)損耗隨溫度升高而新增。若散熱不好，會形成惡性循環(huán)。頻繁的高溫差變化還會使焊錫過早脆化，使焊接質(zhì)量變壞。因此良好散熱是保證可靠性、保證高效率的最有效最重要的手段。由于SITH管具有較強(qiáng)的過流能力，因此在良好散熱下，不必采用“降容量使用”的傳統(tǒng)方法，可以選用電流額定值與工作額定值相當(dāng)?shù)钠骷越档统杀居植挥绊懣煽啃浴?/p>

2.2應(yīng)用電路（二）

應(yīng)用電路（一）的輸出電壓是固定直流400V，不能靈活調(diào)整，又沒能與輸入隔離，往往要加后級電路。本應(yīng)用電路（二）是在電路（一）基礎(chǔ)上加以改動，將輸出隔離，又能調(diào)整電壓，見圖3。圖中：R1：1kΩ；R2：20Ω；R3：10kΩ；R4：5kΩ；R5：5kΩ；R6：800kΩ；R7：10kΩ；R8：20kΩ；R9：1MΩ；R10：0.2Ω；R11：50kΩ；R12：10kΩ；R13：20kΩ/3W；R14：40Ω/10W；C1：0.01mf；C2：200pf；C3：0.1mf；C4：50mf；C5：2000pf/400V；C6：2mf/~250V；C7：2000pf；C8：0.1mf/600V；C9：3000mf/50V；C10：2mf/400V；D1：12V/0.5W穩(wěn)壓二極管；D2、D7、D8、D9：3A快恢二極管HER308；D3、D4、D5、D6：2A/400V整流橋；D10：46V/1W稻壓二極管；Q1、Q3：npn三極管8050；Q2：pnp三極管8550；Q4：VDMOS10A/30V；L1：2mH/1A高頻電感；L2：2mH/1A高頻電感；L3：500mH/2A高頻電感；Tr：高頻變壓器；匝比：2:1×2；IC1：UC3852；IC2：光耦521-1。

此電路參數(shù)是48V/100W輸出的直流電源。它的工作原理與電路（一）相同，只是輸出部分用電容C10將SITH管漏極的直流方波割直成交流方波，送到變壓器Tr的初級，然后耦合到次級改變了電壓，再經(jīng)過整流濾波輸出。次級分成兩個線圈，分別通過不同的整流濾波環(huán)節(jié)，這是因為通過C10的交流方波，是不對稱的，正向部分實(shí)際上是電感L2放電，是電流源，要用副邊的上半部分整流；負(fù)向部分實(shí)際上是C10放電，是電壓源，要用副邊的下半部分整流。

改變Tr的匝比可以得到要的輸出電壓，也與輸入電網(wǎng)隔離。光耦521-1是負(fù)反饋的隔離元件。D2、C5、C8、R13、R14組成上沖吸收電路，由于漏感的原因，變壓器在接受電流源脈沖時，上沖十分強(qiáng)烈，對器件很不利，同時還造成很大的高頻噪擾，必須衰減它。吸收電路可以有效地衰減上沖，但是經(jīng)大量試驗表明，這種衰減的能耗相當(dāng)大，是以降低效率為代價的。本試驗中吸收環(huán)節(jié)要消耗6W左右的功率，上沖仍占主波的25%，使效率從91%下降到84%，線路板上有一塊明顯的發(fā)熱源。因此在沒解決高效吸收問題之前，該電路應(yīng)考慮在小功率應(yīng)用。

2.3應(yīng)用電路（三）

這是一個交流開關(guān)，可切換1000W的負(fù)載，應(yīng)用很廣。原本是用可控硅或雙向可控硅組成，現(xiàn)用兩只SITH管取代。它具有過零開通和過零關(guān)斷的功能，以減小對電網(wǎng)的沖擊，在要時也可以立即關(guān)斷。由于使用了SITH管，才具有強(qiáng)迫關(guān)斷，即快速關(guān)斷的功能。這是可控硅或雙向可控硅做不到的，它可以與單片機(jī)配合使用。這里僅供應(yīng)強(qiáng)電部分原理圖（圖4）。圖中：R1、R2：1kΩ；R3：10kΩ；R4：200Ω；R5、R6、R7：5.1kΩ；C1：300mF/16V；D1、D2：10A/400V整流二極管；D3、D4、D5：1N4001；Q1、Q2：VDMOS(Ron=0.05W)：IC1：LM393雙比較器；IC2：CD4013D觸發(fā)器；IC3、IC4：光耦521；Tr1：電源變壓器220V/9V×2～3W。

圖中，兩只SITH管反串聯(lián)，而各自又與一個二極管反并聯(lián)，兩只SITH管同時導(dǎo)通或同時關(guān)斷，形成了交流開關(guān)。IC1比較器出現(xiàn)過零脈沖信號，作為IC2D觸發(fā)器的時鐘信號，因此IC2只能在交流電壓過零時改變輸出。它的一對互補(bǔ)輸出分別控制SITH管的柵極注入和VDMOS管，也就控制了交流開關(guān)的過零導(dǎo)通和關(guān)斷。強(qiáng)迫關(guān)斷信號直接控制D觸發(fā)器的R復(fù)位端，立即關(guān)斷交流開關(guān)?？刂菩盘柾ㄟ^光耦輸入，這是為了防止干擾。