静电感应晶闸管( SITH) 在开关电源电路中的应用介绍

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 Instruments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 Instruments 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。[p]

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。