靜電感應晶閘管（SITH）在開關電源電路中的應用

　　1 引言

　　在先前發(fā)表的“靜電感應晶閘管(SITH)的應用研究”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0.2 ms以下的開關速度?，F(xiàn)進一步將驅(qū)動電路及SITH器件一起擴展成實際的開關電源應用電路，經(jīng)測試，得到了比較先進的性能指標。這樣，對SITH器件的應用研究就更加全面，使得對它的推廣應用打下扎實的基礎。

　　2 電路研究

　　2.1 應用電路(一)

　　該應用電路是一個開關電源，是鑒于以下幾點考慮而設計的：(1)針對電機調(diào)速、溫度控制等大功率應用方向，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)于國家標準;(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。

　　這里采用了BOOST變換程式(圖1)。圖中 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：VDMOS 10A/30V;L1：2mH/ 1A高頻電感;L2：2mH/ 1A高頻電感;IC：UC3852。

　　UC3852的詳細工作原理請參閱Texas Instruments公司有關資料。要著重指出的是， UC3852是一種專門用來提高輸入功率因數(shù)的開關電源控制芯片，它的基本原理是在遠高于50周的頻率下工作， 控制開關管以一個恒定的時間Ton導通，導通時電感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I in=(Vin /L2)×Ton ，因此Iin與Vin成正比。接著，UC3852使開關管關閉， L2向負載端放電，Iin呈線性衰減， 當UC3852檢測到Iin衰減到零時，又控制開關管導通，進入下一個Ton，見圖2。

　　圖中， 上部是UC3852的驅(qū)動波形， 高電平是驅(qū)動開關管導通，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。實際上，UC3852的工作頻率要比圖中表示的高得多，約25kHz。因此可認為在每個三角形區(qū)段Vin恒定， 則Iin的平均值也正比于V in，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，采用驅(qū)動電路(一)的方案，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;R 6、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工作頻率的定時電路， 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);R 10是電流采樣電阻， 向UC3852提供Iin的波形。

　　從圖2的波形上可以看出， 這是一種電流非連續(xù)方式， 它的好處是開關管總是從零電流開始導通，最終達到二倍的平均電流， 從而使SITH管避開了導通慢的弱點， 又發(fā)揚了其大電流性能好的優(yōu)點。它又使二極管D2在正向電流到零后再承受反壓， 避開了反向恢復損耗的問題。D2的作用是阻止輸出電容 C5向L2和SITH管放電， 它正向流過的就是負載電流， 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Texas Instruments 公司有關資料)，因而不能降低。 SITH管在關斷時也承受400V的反壓， 對它來說余量較大，也是優(yōu)勢所在。

　　測得其主要指標如下：輸入電壓：AC220V 50Hz;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5分鐘內(nèi)表面溫升達50℃， 輸入功率增加了3W。 后來， 改用帶有風扇的CPU散熱器， 風扇功率1W， 開機15分鐘后，表面溫升仍不迢過5℃， 輸入功率始終在111W左右。由此可以認為， SITH管與其它電力器件一樣，開關損耗隨溫度升高而增加。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?shù)钠骷?以降低成本又不影響可靠性。