静电感应晶闸管在电源电路中的应用研究

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0.2ms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；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：VDMOS10A/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TexasInstruments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Iin=(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Vin，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）的方法，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；R6、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工作频率的按时电路，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；R10是电流采样电阻，向UC3852供应Iin的波形。

从图2的波形上可以看出，这是一种电流非持续方式，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的用途是阻止输出电容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TexasInstruments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。

测得其重要指标如下：输入电压：AC220V50Hz；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℃，输入功率新增了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管与其它电力器件相同，开关损耗随温度升高而新增。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；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：VDMOS10A/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C10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。这里仅供应强电部分原理图（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：CD4013D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比较器出现过零脉冲信号，作为IC2D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。