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静电感应晶闸管在电源电路中的应用研究
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1 引言
在先前发表的“静电感应晶闸管（SITH）的应用研究”一文中，我们对国产SITH器件的基本特性作了研究，并研制了四种驱动电路。在这四种电路驱动下，SITH器件取得了0.2 ms以下的开关速度。现进一步将驱动电路及SITH器件一起扩展成实际的开关电源应用电路，经测试，得到了比较先进的性能指标。这样，对SITH器件的应用研究就更加全面，使得对它的推广应用打下扎实的基础。
2 电路研究
2.1 应用电路（一）
该应用电路是一个开关电源，是鉴于以下几点考虑而设计的：（1）针对电机调速、温度控制等大功率应用方向，确定是AC-DC变换，这里AC 专指交流50周单相电压220V工频电网；（2）该电源输入必须是高功率因数0.95以上，还必须是低噪扰，符合或优于国家标准；（3）该电源效率要求在90%以上；（4）能体现SITH管的优势，避开其弱点。
这里采用了BOOST变换程式（图1）。图中 R1：1kΩ；R2：20Ω；R3：10kΩ；R 4：5kΩ；R5：5kΩ；R6：800kΩ；R7：10k Ω；R8：20kΩ；R9：1MΩ；R10：0.2 Ω；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稳压二极管；D2： 3A快恢二极管HER308； D3、D6：2A/400V整流桥；Q1、Q3：npn三极管8050；Q2：pnp三极管8550；Q4：VDMOS 10A/30V；L1：2mH/ 1A高频电感；L2：2mH/ 1A高频电感；IC：UC3852。
UC3852的详细工作原理请参阅Texas In stru ments公司有关资料。要着重指出的是， UC3852是一种专门用来提高输入功率因数的开关电源控制芯片，它的基本原理是在远高于50周的频率下工作， 控制开关管以一个恒定的时间Ton导通，导通时电感L2承受全部交流输入电压Vin 。在Ton结束时， 电感电流，也就是输入电流I in=(Vin /L2)×Ton ，因此Iin与Vin成正比。接着，UC3852使开关管关闭， L2向负载端放电，Iin呈线性衰减， 当UC3852检测到Iin衰减到零时，又控制开关管导通，进入下一个Ton，见图2。
图中， 上部是UC3852的驱动波形， 高电平是驱动开关管导通，高电平的时间Ton 是恒定的；下部是输入电压Vin和输入电流 Iin的波形。在Ton时段内，Iin线性上升， 上升的速率与当时的Vin值成正比， 由于每次都是从零开始， 因此Iin的峰值也与Vin 成正比。实际上，UC3852的工作频率要比图中表示的高得多，约25kHz。因此可认为在每个三角形区段Vin恒定， 则Iin的平均值也正比于V in，经过L1、C6低通滤波后，输入电流波形与输入电压一致， 则功率因数必然很高。这就是UC3852的简单工作原理。
图1的电路参数构成一个输出为100W的电路， SITH管为主开关，采用驱动电路（一）的方案，由Q1、Q2、Q3和Q4组成SITH管的驱动电路； L2是BOOST电感；C5是输出滤波电容；R 6、R7、R8、R9和C3组成反馈电路， 供UC3852采用， 控制输出电压稳定；R12和C7是UC3852工作频率的定时电路， 这里定在25kHz左右；L1和C6是低通滤波器， 阻止Iin中的高频成分传回电网；R 10是电流采样电阻， 向UC3852提供Iin的波形。
从图2的波形上可以看出， 这是一种电流非连续方式， 它的好处是开关管总是从零电流开始导通，最终达到二倍的平均电流， 从而使SITH管避开了导通慢的弱点， 又发扬了其大电流性能好的优点。它又使二极管D2在正向电流到零后再承受反压， 避开了反向恢复损耗的问题。D2的作用是阻止输出电容 C5向L2和SITH管放电， 它正向流过的就是负载电流， 而反向承受的是400V电压。测试中D2使用中速的快恢二极管， 温升很低。 输出电压取400V是电路工作要求的（参阅Texas In stru ments 公司有关资料），因而不能降低。 SITH管在关断时也承受400V的反压， 对它来说余量较大，也是优势所在。
测得其主要指标如下：输入电压：AC220V 50Hz；输入电流：0.58A；输入功率：111W；功率因数：0.95；输出电压：DC410V， 纹波峰峰值：Vpp=20V；输出负载电阻：1610Ω；输出功率：104W； 效率：0.94。由此看来，SITH器件及其驱动电路满足了要求，结果是令人满意的。
然而，SITH管在工作时大约有3.5W左右的管耗，是电路中唯一有明显温升的器件。电路中使用的SITH管是TO-220封装，最初加上50mm× 60mm散热片，开机5分钟内表面温升达50℃， 输入功率增加了3W。 后来， 改用带有风扇的CPU散热器， 风扇功率1W， 开机15分钟后，表面温升仍不迢过5℃， 输入功率始终在111W左右。由此可以认为， SITH管与其它电力器件一样，开关损耗随温度升高而增加。若散热不好，会形成恶性循环。频繁的高温差变化还会使焊锡过早脆化， 使焊接质量变坏。因此良好散热是保证可靠性、保证高效率的最有效最重要的手段。由于SITH管具有较强的过流能力， 因此在良好散热下， 不必采用“降容量使用”的传统方法， 可以选用电流额定值与工作额定值相当的器件， 以降低成本又不影响可靠性。
2.2 应用电路（二）
应用电路（一）的输出电压是固定直流400V， 不能灵活调整， 又没能与输入隔离， 往往需要加后级电路。本应用电路（二）是在电路（一）基础上加以改动， 将输出隔离， 又能调整电压， 见图3。图中：R1：1kΩ；R2：20Ω；R 3：10kΩ；R4：5kΩ；R5：5kΩ；R6：800kΩ；R7：10kΩ；R8：20kΩ；R9：1MΩ ；R10：0.2Ω；R11：50kΩ；R12：10k Ω；R13：20kΩ/3W；R14：40Ω/10W；C 1：0.01mf；C2：200pf；C3：0.1mf；C 4：50mf；C5：2000pf / 400V；C6：2mf / ~250V；C7：2000pf；C8：0.1mf / 600V；C9：3000mf / 50V；C10：2mf / 400V； D1：12V / 0.5W稳压二极管；D2、D7、D8、D9：3A快恢二极管HER308； D3、D4、D5、D6：2A/400V整流桥；D10：46V / 1W稻压二极管；Q1、Q3：npn三极管8050；Q2：pnp三极管8550；Q4：VDMOS 10A/30V；L1：2mH/ 1A高频电感； L2：2mH/ 1A高频电感；L3：500mH/ 2A高频电感；Tr：高频变压器；匝比：2:1×2；IC1：UC3852； IC2：光耦521-1。
此电路参数是48V/100W输出的直流电源。它的工作原理与电路（一）相同，只是输出部分用电容C 10将SITH管漏极的直流方波割直成交流方波，送到变压器Tr的初级，然后耦合到次级改变了电压，再经过整流滤波输出。次级分成两个线圈，分别通过不同的整流滤波环节，这是因为通过 C10的交流方波，是不对称的， 正向部分实际上是电感L2放电， 是电流源， 要用副边的上半部分整流；负向部分实际上是C10放电， 是电压源， 要用副边的下半部分整流。
改变Tr的匝比可以得到需要的输出电压， 也与输入电网隔离。光耦521-1是负反馈的隔离元件。D2、 C5、C8、R13、R14组成上冲吸收电路， 由于漏感的原因，变压器在接受电流源脉冲时， 上冲十分强烈， 对器件很不利， 同时还造成很大的高频噪扰， 必须衰减它。吸收电路可以有效地衰减上冲， 但是经大量试验表明， 这种衰减的能耗相当大， 是以降低效率为代价的。本试验中吸收环节要消耗6W左右的功率， 上冲仍占主波的25%， 使效率从91%下降到84%， 线路板上有一块明显的发热源。因此在没解决高效吸收问题之前， 该电路应考虑在小功率应用。
2.3 应用电路（三）
这是一个交流开关，可切换1000W的负载，应用很广。原本是用可控硅或双向可控硅组成，现用两只SITH管取代。它具有过零开通和过零关断的功能， 以减小对电网的冲击，在需要时也可以立即关断。由于使用了SITH管， 才具有强迫关断， 即快速关断的功能。这是可控硅或双向可控硅做不到的，它可以与单片机配合使用。这里仅提供强电部分原理图（图4）。图中：R1、R2：1kΩ； R3：10kΩ；R4：200Ω； R5、R6、R7：5.1kΩ； C1：300mF /16V ；D1、D2：10A/400V整流二极管；D3、D4、D5：1N4001；Q1、Q2：VDMOS (Ron=0.05W)：IC1：LM393双比较器；IC2： CD4013 D触发器；IC3、IC4：光耦521；Tr1：电源变压器220V/9V×2～3W。
图中， 两只SITH管反串联， 而各自又与一个二极管反并联， 两只SITH管同时导通或同时关断，形成了交流开关。IC1比较器产生过零脉冲信号， 作为IC2 D触发器的时钟信号， 因此IC2只能在交流电压过零时改变输出。它的一对互补输出分别控制SITH管的栅极注入和VDMOS管， 也就控制了交流开关的过零导通和关断。强迫关断信号直接控制D触发器的R复位端， 立即关断交流开关。控制信号通过光耦输入， 这是为了防止干扰。
在先前发表的“静电感应晶闸管（SITH）的应用研究”一文中，我们对国产SITH器件的基本特性作了研究，并研制了四种驱动电路。在这四种电路驱动下，SITH器件取得了0.2 ms以下的开关速度。现进一步将驱动电路及SITH器件一起扩展成实际的开关电源应用电路，经测试，得到了比较先进的性能指标。这样，对SITH器件的应用研究就更加全面，使得对它的推广应用打下扎实的基础。
2 电路研究
2.1 应用电路（一）
该应用电路是一个开关电源，是鉴于以下几点考虑而设计的：（1）针对电机调速、温度控制等大功率应用方向，确定是AC-DC变换，这里AC 专指交流50周单相电压220V工频电网；（2）该电源输入必须是高功率因数0.95以上，还必须是低噪扰，符合或优于国家标准；（3）该电源效率要求在90%以上；（4）能体现SITH管的优势，避开其弱点。
这里采用了BOOST变换程式（图1）。图中 R1：1kΩ；R2：20Ω；R3：10kΩ；R 4：5kΩ；R5：5kΩ；R6：800kΩ；R7：10k Ω；R8：20kΩ；R9：1MΩ；R10：0.2 Ω；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稳压二极管；D2： 3A快恢二极管HER308； D3、D6：2A/400V整流桥；Q1、Q3：npn三极管8050；Q2：pnp三极管8550；Q4：VDMOS 10A/30V；L1：2mH/ 1A高频电感；L2：2mH/ 1A高频电感；IC：UC3852。
UC3852的详细工作原理请参阅Texas In stru ments公司有关资料。要着重指出的是， UC3852是一种专门用来提高输入功率因数的开关电源控制芯片，它的基本原理是在远高于50周的频率下工作， 控制开关管以一个恒定的时间Ton导通，导通时电感L2承受全部交流输入电压Vin 。在Ton结束时， 电感电流，也就是输入电流I in=(Vin /L2)×Ton ，因此Iin与Vin成正比。接着，UC3852使开关管关闭， L2向负载端放电，Iin呈线性衰减， 当UC3852检测到Iin衰减到零时，又控制开关管导通，进入下一个Ton，见图2。
图中， 上部是UC3852的驱动波形， 高电平是驱动开关管导通，高电平的时间Ton 是恒定的；下部是输入电压Vin和输入电流 Iin的波形。在Ton时段内，Iin线性上升， 上升的速率与当时的Vin值成正比， 由于每次都是从零开始， 因此Iin的峰值也与Vin 成正比。实际上，UC3852的工作频率要比图中表示的高得多，约25kHz。因此可认为在每个三角形区段Vin恒定， 则Iin的平均值也正比于V in，经过L1、C6低通滤波后，输入电流波形与输入电压一致， 则功率因数必然很高。这就是UC3852的简单工作原理。
图1的电路参数构成一个输出为100W的电路， SITH管为主开关，采用驱动电路（一）的方案，由Q1、Q2、Q3和Q4组成SITH管的驱动电路； L2是BOOST电感；C5是输出滤波电容；R 6、R7、R8、R9和C3组成反馈电路， 供UC3852采用， 控制输出电压稳定；R12和C7是UC3852工作频率的定时电路， 这里定在25kHz左右；L1和C6是低通滤波器， 阻止Iin中的高频成分传回电网；R 10是电流采样电阻， 向UC3852提供Iin的波形。
从图2的波形上可以看出， 这是一种电流非连续方式， 它的好处是开关管总是从零电流开始导通，最终达到二倍的平均电流， 从而使SITH管避开了导通慢的弱点， 又发扬了其大电流性能好的优点。它又使二极管D2在正向电流到零后再承受反压， 避开了反向恢复损耗的问题。D2的作用是阻止输出电容 C5向L2和SITH管放电， 它正向流过的就是负载电流， 而反向承受的是400V电压。测试中D2使用中速的快恢二极管， 温升很低。 输出电压取400V是电路工作要求的（参阅Texas In stru ments 公司有关资料），因而不能降低。 SITH管在关断时也承受400V的反压， 对它来说余量较大，也是优势所在。
测得其主要指标如下：输入电压：AC220V 50Hz；输入电流：0.58A；输入功率：111W；功率因数：0.95；输出电压：DC410V， 纹波峰峰值：Vpp=20V；输出负载电阻：1610Ω；输出功率：104W； 效率：0.94。由此看来，SITH器件及其驱动电路满足了要求，结果是令人满意的。
然而，SITH管在工作时大约有3.5W左右的管耗，是电路中唯一有明显温升的器件。电路中使用的SITH管是TO-220封装，最初加上50mm× 60mm散热片，开机5分钟内表面温升达50℃， 输入功率增加了3W。 后来， 改用带有风扇的CPU散热器， 风扇功率1W， 开机15分钟后，表面温升仍不迢过5℃， 输入功率始终在111W左右。由此可以认为， SITH管与其它电力器件一样，开关损耗随温度升高而增加。若散热不好，会形成恶性循环。频繁的高温差变化还会使焊锡过早脆化， 使焊接质量变坏。因此良好散热是保证可靠性、保证高效率的最有效最重要的手段。由于SITH管具有较强的过流能力， 因此在良好散热下， 不必采用“降容量使用”的传统方法， 可以选用电流额定值与工作额定值相当的器件， 以降低成本又不影响可靠性。
2.2 应用电路（二）
应用电路（一）的输出电压是固定直流400V， 不能灵活调整， 又没能与输入隔离， 往往需要加后级电路。本应用电路（二）是在电路（一）基础上加以改动， 将输出隔离， 又能调整电压， 见图3。图中：R1：1kΩ；R2：20Ω；R 3：10kΩ；R4：5kΩ；R5：5kΩ；R6：800kΩ；R7：10kΩ；R8：20kΩ；R9：1MΩ ；R10：0.2Ω；R11：50kΩ；R12：10k Ω；R13：20kΩ/3W；R14：40Ω/10W；C 1：0.01mf；C2：200pf；C3：0.1mf；C 4：50mf；C5：2000pf / 400V；C6：2mf / ~250V；C7：2000pf；C8：0.1mf / 600V；C9：3000mf / 50V；C10：2mf / 400V； D1：12V / 0.5W稳压二极管；D2、D7、D8、D9：3A快恢二极管HER308； D3、D4、D5、D6：2A/400V整流桥；D10：46V / 1W稻压二极管；Q1、Q3：npn三极管8050；Q2：pnp三极管8550；Q4：VDMOS 10A/30V；L1：2mH/ 1A高频电感； L2：2mH/ 1A高频电感；L3：500mH/ 2A高频电感；Tr：高频变压器；匝比：2:1×2；IC1：UC3852； IC2：光耦521-1。
此电路参数是48V/100W输出的直流电源。它的工作原理与电路（一）相同，只是输出部分用电容C 10将SITH管漏极的直流方波割直成交流方波，送到变压器Tr的初级，然后耦合到次级改变了电压，再经过整流滤波输出。次级分成两个线圈，分别通过不同的整流滤波环节，这是因为通过 C10的交流方波，是不对称的， 正向部分实际上是电感L2放电， 是电流源， 要用副边的上半部分整流；负向部分实际上是C10放电， 是电压源， 要用副边的下半部分整流。
改变Tr的匝比可以得到需要的输出电压， 也与输入电网隔离。光耦521-1是负反馈的隔离元件。D2、 C5、C8、R13、R14组成上冲吸收电路， 由于漏感的原因，变压器在接受电流源脉冲时， 上冲十分强烈， 对器件很不利， 同时还造成很大的高频噪扰， 必须衰减它。吸收电路可以有效地衰减上冲， 但是经大量试验表明， 这种衰减的能耗相当大， 是以降低效率为代价的。本试验中吸收环节要消耗6W左右的功率， 上冲仍占主波的25%， 使效率从91%下降到84%， 线路板上有一块明显的发热源。因此在没解决高效吸收问题之前， 该电路应考虑在小功率应用。
2.3 应用电路（三）
这是一个交流开关，可切换1000W的负载，应用很广。原本是用可控硅或双向可控硅组成，现用两只SITH管取代。它具有过零开通和过零关断的功能， 以减小对电网的冲击，在需要时也可以立即关断。由于使用了SITH管， 才具有强迫关断， 即快速关断的功能。这是可控硅或双向可控硅做不到的，它可以与单片机配合使用。这里仅提供强电部分原理图（图4）。图中：R1、R2：1kΩ； R3：10kΩ；R4：200Ω； R5、R6、R7：5.1kΩ； C1：300mF /16V ；D1、D2：10A/400V整流二极管；D3、D4、D5：1N4001；Q1、Q2：VDMOS (Ron=0.05W)：IC1：LM393双比较器；IC2： CD4013 D触发器；IC3、IC4：光耦521；Tr1：电源变压器220V/9V×2～3W。
图中， 两只SITH管反串联， 而各自又与一个二极管反并联， 两只SITH管同时导通或同时关断，形成了交流开关。IC1比较器产生过零脉冲信号， 作为IC2 D触发器的时钟信号， 因此IC2只能在交流电压过零时改变输出。它的一对互补输出分别控制SITH管的栅极注入和VDMOS管， 也就控制了交流开关的过零导通和关断。强迫关断信号直接控制D触发器的R复位端， 立即关断交流开关。控制信号通过光耦输入， 这是为了防止干扰。
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