基于SG3525A和IR2110的高频逆变电源设计
基于sg3525a和ir2110的高频逆变电源设计
引言
随着pwm技术在变频、逆变频等领域的运用越来越广泛，以及igbt、powermosfet等功率性开关器件的快速发展，使得pwm控制的高压大功率电源向着小型化、高频化、智能化、高效率方向发展。
本文采用电压脉宽型pwm控制芯片sg3525a，以及高压悬浮驱动器ir2110，用功率开关器件igbt模块方案实现高频逆变电源。另外，用单片机控制技术对此电源进行控制，使整个系统结构简单，并实现了系统的数字智能化。
sg3525a性能和结构
sg3525a是电压型pwm集成控制器，外接元 器件少，性能好，包括开关稳压所需的全部控制电路。其主要特性包括：外同步、软启动功能；死区调节、欠压锁定功能；误差放大以及关闭输出驱动 信号等功能；输出级采用推挽式电路结构，关断速度快，输出电流±400ma；可提供精密度为5v±1%的基准电压；开关频率范围100hz~400khz。
其内部结构主要包括基准电压源、欠压锁定电路、锯齿波振荡器、误差放大器等，如图1所示。
图1 sg3525a内部框图及引脚功能
ir2110性能和结构
ir2110是美国ir公司生产的高压、高速pmosfet和igbt的理想驱动器。该芯片采用hvic和闩锁抗干扰制造工艺，集成dip、soic封装。其主要特性包括：悬浮通道电源采用自举电路，其电压最高可达500v；功率器件栅极驱动电压范围10v~20v；输出电流峰值为2a; 逻辑电源范围5v~20v，而且逻辑电源地和功率地之间允许+5v的偏移量；带有下拉电阻的coms施密特输入端，可以方便地与lsttl和cmos电平匹配；独立的低端和高端输入通道，具有欠电压同时锁定两通道功能; 两通道的匹配延时为10ns；开关通断延时小，分别为120ns和90ns;工作频率达500khz。
其内部结构主要包括逻辑输入，电平转换及输出保护等，如图2所示。
图2 ir2110内部框图及引脚功能
设计原理
高压侧悬浮驱动的自举原理
ir2110用于驱动半桥的电路如图3所示。图中c1、vd1分别为自举电容和二极管，c2为vcc的滤波电容。假定在s1关断期间，c1已充到足够的电压vc1≈vcc。当hin为高电平时，vm1开通，vm2关断，vc1加到s1的门极和发射极之间，c1通过vm1、rg1和s1门极栅极电容cgc1放电，cgc1被充电。此时vc1可等效为一个电压源。当hin为低电平时，vm2开通，vm1断开，s1栅极电荷经rg1、vm2迅速释放，s1关断。经短暂的死区时间(td)之后，lin为高电平，s2开通，vcc经vd1、s2给c1充电，迅速为c1补充能量。如此循环反复。
图3 驱动半桥自举电路
自举元件设计
自举二极管(vd1)和电容(c1)是ir2110在pwm应用时需要严格挑选和设计的元器件，应根据一定的规则对其进行调整，使电路工作在最佳状态。
在工程应用中，取自举电容c1>2qg/(vcc-10-1.5)。式中，qg为igbt门极提供的栅电荷。假定自举电容充电路径上有1.5v的压降(包括vd1的正向压降)，则在器件开通后，自举电容两端电压比器件充分导通所需要的电压(10v)要高。
同时，在选择自举电容大小时，应综合考虑悬浮驱动的最宽导通时间ton(max)和最窄导通时间ton(min)。导通时间既不能太大影响窄脉冲的驱动性能，也不能太小而影响宽脉冲的驱动要求。根据功率器件的工作频率、开关速度、门极特性对导通时间进行选择，估算后经调试而定。
vd1主要用于阻断直流干线上的高压，其承受的电流是栅极电荷与开关频率之积。为了减少电荷损失，应选择反向漏电流小的二极管。
运用sg3525a和ir2110构成的高频逆变主电路图
高频逆变主电路如图4所示，逆变高压电路由全桥驱动组成。功率开关q1~q4采用igbt模块。逆变主电路把直流电压v1转换为20khz的高频矩形波交流电压送到高频高压变压器t1，经升压整流滤波后提供给负载供电。电路通过控制pwm1和pwm2的占空比，来得到脉宽可调的矩形波交流电压。vf为高压采样端反馈到控制系统的电压。
图 4 高压逆变主电路图
单片机组成的控制系统
图5所示为完整的高压逆变电源系统框图，它主要包括主电路及控制电路两部分。主电路主要包括逆变器直流电源、igbt桥式逆变器、保护电路、高频高压变压器、高频高压硅堆(高频整流器)等。控制电路主要包括电流、电压采样及其处理单元，pwm信号产生和驱动电路，单片机控制器，参数输入键盘及液晶显示，通信接口等部分。为了更好的解决系统的干扰、隔离、电磁兼容等问题，在控制部分和主电路采用光耦完全隔离。
此硬件系统配上软件系统，可使整个系统具有完整的人机界面和自诊断等智能化功能。
图5 单片机控制的逆变系统
结语
由pwm控制芯片sg3525a和高压驱动器ir2110组成的高频逆变电源，具有体积小、控制方便、电能利用效率高等优点。此系统目前已被用于医疗设备的高频电源。
参考文献：
1 智能化高频开关电源设计[j]. 电力电子技术. 1996.30(3)
2 电子变压器手册. 辽宁科学技术出版社. 1998.8
3 lpc900系列flash单片机应用技术. 北京航空航天大学出版社.2004.1
常见的锂电单位符号应该怎么写
机房动力环境监控系统的组成部分及功能特点
Origin Q一周速览：另辟蹊径！为半导体材料研究献计献策
利用电量计芯片实现双节串联锂电池的快速智能充电
科创板睿创微纳董事李维诚介绍、履历信息
基于SG3525A和IR2110的高频逆变电源设计
通信基站部署有没有辐射？对人体是否有害？
索尼Xperia XZ4曝光采用了5英寸的18:9比例的全面屏设计
诺基亚夺下2020年中国4G经典手机第一
ch32v103c8t6模拟usb
5G智能手机即将发布 观望跟购入哪个更好
中频焊工作原理
不可忽视细节 双绞线布线故障解析
MIT研发定制芯片加快机器人运行速度
美国《消费者报告》的可靠性调查全新发布，特斯拉垫底
AMD新款GPU核心Navi 12信息曝光，有望在CES 2020上展示
深度介绍环境气象传感器
中德开展工业4.0领域合作 海尔成中坚力量
TCL华星推出全球首款 34 R1000 165Hz 超宽电竞屏 已出货三星
甬矽电子：2.5D、3D封装技术正处于前期布局和研发阶段
引言
随着pwm技术在变频、逆变频等领域的运用越来越广泛，以及igbt、powermosfet等功率性开关器件的快速发展，使得pwm控制的高压大功率电源向着小型化、高频化、智能化、高效率方向发展。
本文采用电压脉宽型pwm控制芯片sg3525a，以及高压悬浮驱动器ir2110，用功率开关器件igbt模块方案实现高频逆变电源。另外，用单片机控制技术对此电源进行控制，使整个系统结构简单，并实现了系统的数字智能化。
sg3525a性能和结构
sg3525a是电压型pwm集成控制器，外接元 器件少，性能好，包括开关稳压所需的全部控制电路。其主要特性包括：外同步、软启动功能；死区调节、欠压锁定功能；误差放大以及关闭输出驱动 信号等功能；输出级采用推挽式电路结构，关断速度快，输出电流±400ma；可提供精密度为5v±1%的基准电压；开关频率范围100hz~400khz。
其内部结构主要包括基准电压源、欠压锁定电路、锯齿波振荡器、误差放大器等，如图1所示。
图1 sg3525a内部框图及引脚功能
ir2110性能和结构
ir2110是美国ir公司生产的高压、高速pmosfet和igbt的理想驱动器。该芯片采用hvic和闩锁抗干扰制造工艺，集成dip、soic封装。其主要特性包括：悬浮通道电源采用自举电路，其电压最高可达500v；功率器件栅极驱动电压范围10v~20v；输出电流峰值为2a; 逻辑电源范围5v~20v，而且逻辑电源地和功率地之间允许+5v的偏移量；带有下拉电阻的coms施密特输入端，可以方便地与lsttl和cmos电平匹配；独立的低端和高端输入通道，具有欠电压同时锁定两通道功能; 两通道的匹配延时为10ns；开关通断延时小，分别为120ns和90ns;工作频率达500khz。
其内部结构主要包括逻辑输入，电平转换及输出保护等，如图2所示。
图2 ir2110内部框图及引脚功能
设计原理
高压侧悬浮驱动的自举原理
ir2110用于驱动半桥的电路如图3所示。图中c1、vd1分别为自举电容和二极管，c2为vcc的滤波电容。假定在s1关断期间，c1已充到足够的电压vc1≈vcc。当hin为高电平时，vm1开通，vm2关断，vc1加到s1的门极和发射极之间，c1通过vm1、rg1和s1门极栅极电容cgc1放电，cgc1被充电。此时vc1可等效为一个电压源。当hin为低电平时，vm2开通，vm1断开，s1栅极电荷经rg1、vm2迅速释放，s1关断。经短暂的死区时间(td)之后，lin为高电平，s2开通，vcc经vd1、s2给c1充电，迅速为c1补充能量。如此循环反复。
图3 驱动半桥自举电路
自举元件设计
自举二极管(vd1)和电容(c1)是ir2110在pwm应用时需要严格挑选和设计的元器件，应根据一定的规则对其进行调整，使电路工作在最佳状态。
在工程应用中，取自举电容c1>2qg/(vcc-10-1.5)。式中，qg为igbt门极提供的栅电荷。假定自举电容充电路径上有1.5v的压降(包括vd1的正向压降)，则在器件开通后，自举电容两端电压比器件充分导通所需要的电压(10v)要高。
同时，在选择自举电容大小时，应综合考虑悬浮驱动的最宽导通时间ton(max)和最窄导通时间ton(min)。导通时间既不能太大影响窄脉冲的驱动性能，也不能太小而影响宽脉冲的驱动要求。根据功率器件的工作频率、开关速度、门极特性对导通时间进行选择，估算后经调试而定。
vd1主要用于阻断直流干线上的高压，其承受的电流是栅极电荷与开关频率之积。为了减少电荷损失，应选择反向漏电流小的二极管。
运用sg3525a和ir2110构成的高频逆变主电路图
高频逆变主电路如图4所示，逆变高压电路由全桥驱动组成。功率开关q1~q4采用igbt模块。逆变主电路把直流电压v1转换为20khz的高频矩形波交流电压送到高频高压变压器t1，经升压整流滤波后提供给负载供电。电路通过控制pwm1和pwm2的占空比，来得到脉宽可调的矩形波交流电压。vf为高压采样端反馈到控制系统的电压。
图 4 高压逆变主电路图
单片机组成的控制系统
图5所示为完整的高压逆变电源系统框图，它主要包括主电路及控制电路两部分。主电路主要包括逆变器直流电源、igbt桥式逆变器、保护电路、高频高压变压器、高频高压硅堆(高频整流器)等。控制电路主要包括电流、电压采样及其处理单元，pwm信号产生和驱动电路，单片机控制器，参数输入键盘及液晶显示，通信接口等部分。为了更好的解决系统的干扰、隔离、电磁兼容等问题，在控制部分和主电路采用光耦完全隔离。
此硬件系统配上软件系统，可使整个系统具有完整的人机界面和自诊断等智能化功能。
图5 单片机控制的逆变系统
结语
由pwm控制芯片sg3525a和高压驱动器ir2110组成的高频逆变电源，具有体积小、控制方便、电能利用效率高等优点。此系统目前已被用于医疗设备的高频电源。
参考文献：
1 智能化高频开关电源设计[j]. 电力电子技术. 1996.30(3)
2 电子变压器手册. 辽宁科学技术出版社. 1998.8
3 lpc900系列flash单片机应用技术. 北京航空航天大学出版社.2004.1
常见的锂电单位符号应该怎么写
机房动力环境监控系统的组成部分及功能特点
Origin Q一周速览：另辟蹊径！为半导体材料研究献计献策
利用电量计芯片实现双节串联锂电池的快速智能充电
科创板睿创微纳董事李维诚介绍、履历信息
基于SG3525A和IR2110的高频逆变电源设计
通信基站部署有没有辐射？对人体是否有害？
索尼Xperia XZ4曝光采用了5英寸的18:9比例的全面屏设计
诺基亚夺下2020年中国4G经典手机第一
ch32v103c8t6模拟usb
5G智能手机即将发布 观望跟购入哪个更好
中频焊工作原理
不可忽视细节 双绞线布线故障解析
MIT研发定制芯片加快机器人运行速度
美国《消费者报告》的可靠性调查全新发布，特斯拉垫底
AMD新款GPU核心Navi 12信息曝光，有望在CES 2020上展示
深度介绍环境气象传感器
中德开展工业4.0领域合作 海尔成中坚力量
TCL华星推出全球首款 34 R1000 165Hz 超宽电竞屏 已出货三星
甬矽电子：2.5D、3D封装技术正处于前期布局和研发阶段