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1、一种新型高压大功率小信号放大电路一种新型高压大功率小信号放大电路(UC3637+IR2110)(UC3637+IR2110)摘要：简要分析了 UC3637 双 PWM 控制器和 IR2110 的特点，工作原理。由 UC3637 和 IR2110 共同构建一种高压大功率小信号放大电路，并通过实验验证 了其可行性。 关键词：小信号放大器；双脉宽调制；悬浮驱动；高压大功率 0 引言 现有的很多小信号放大电路都是由晶体管或 MOS 管的放大电路构成，其功 率有限，不能把电路的功率做得很大。随着现代逆变技术的逐步成熟，尤其是 SPWM 逆 变技术，使信号波形能够很好地在输出端重现，并且可以做到高电压，
2、大电流，大功率。SPWM 技术的实现方法有两种，一种是采用模拟集成电路完成 正弦调制波 与三角波载波的比较，产生 SPWM 信号；另一种是采用数字方法。 随着应用的深入和集成技术的发展，已商品化的专用集成电路（ASIC）和专用 单片机 （8X196/MC/MD/MH）以及 DSP，可以使控制电路结构简化，集成度高。 由于数字芯片一般价格比较高，所以在此采用模拟集成电路。主电路采用全 桥 逆变结构，SPWM 波的产生采用 UC3637 双 PWM 控制芯片，并采用美国 IR 公司推 出的高压浮动驱动集成模块 IR2110，从而减小了装置的体积，降 低了成本， 提高了系统的可靠性。经本电路放大后，
3、信号可达 3kV，并保持了良好的输出 波形。 1 UC3637 的原理与基本功能 UC3637 的原理框图如图 1 所示。其内部包含有一个三角波振荡器，误差放 大器，两个 PWM 比较器，输出控制门，逐个脉冲限流比较器等。 图 1 UC3637 原理框图 UC3637 可单电源或双电源工作，工作电压范围（2.520）V，特别有利 于双极性调制；双路 PWM 信号，图腾柱输出，供出或吸收电流能力 100mA；逐 个脉冲限流；内藏线性良好的恒幅三角波振荡器；欠压封锁；有温度补偿； 2.5V 阈值控制。 UC3637 最具特色的是三角波振荡器，三角波产生电路如图 2 所示。三角波 参数按式（1）及式
4、（2）计算。 Is=（1） f=（2） 式中：VTH为三角波峰值的转折（阈值）电压； Vs为电源电压； RT为定时电阻； CT为定时电容； Is为恒流充电电流； f为振荡频率。 图 2 三角波产生电路 UC3637 具有一个高速、带宽为 1MHz、输出低阻抗的误差放大器，既可以作 为一般的快速运放，亦可作为反馈补偿运放。UC3637 实现其主要功能的就 是 两个 PWM 比较器，实现电路如图 3 所示。其他还有如欠压封锁，2.5V 阈值控制 等功能，这些功能在应用电路中也给予实现。 图 3 PWM 产生电路 2 IR2110 的结构与应用 IR2110 的内部功能框图如图 4 所示。它由三个部
5、分组成：逻辑输入，电平 平移及输出保护。 图 4 IR2110 内部功能框图 IR2110 具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端 工作电压可达 600V，在 15V 下静态功耗仅 116mW；输出的电源端（脚 3Vcc，即 功率器件的栅极驱动电压）电压范围 1020V；逻辑电源电压范围（脚 9VDD） 3.320V，可方便地与 TTL 或 CMOS 电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间 允许有5V 的偏移量；工作频率高，可达 100kHz；开通、关断延迟小，分别为 120ns 和 94ns；图腾柱输出峰值电流为 2A。 下面分析高压侧悬浮驱动的自举原理。 IR2110
6、用于驱动半桥的电路如图 5 所示。图中C1及 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 （Vc1Vcc）。当脚 10（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栅极发射极电容Cge1放电，Cge1被充电。 此时Vc1可等效为一个电压源。当脚 10（HIN）为低电平时，VM2开通，VM1断开， S1栅电荷经Rg1，VM2迅速释放，S1关断。经短暂的死区时间（td）之后，脚12（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
7、复。 图 5 IR2110 用于驱动半桥的电路 IR2110 的不足是保护功能不够及其自身不具有负偏压。为此，给它外加了 一个负偏压电路，具体见图 6。 图 6 采用 IR2110 驱动电路 3 应用 UC3637 和 IR2110 构成控制驱动电路 图 6 是 IR2110 构成的驱动电路。由图 6 可见用两片 IR2110 可以驱动一个 逆变全桥电路，它们可以共用同一个驱动电源而不须隔离，使驱动电路极其简 化。IR2110 本身不能产生负偏压。由驱动电路可见本电路在每个桥臂各加了负 偏压电路，以左半部为例，其工作过程如下：VDD上电后通过R1给C1充电，并 在 VW1的钳位下形成5.1V
8、电压Vc1，当 IR2110 的脚 1（LO）输出为高电平时， 下管有（VDD5.1）V 的驱动电压，同时在下管关断时下管的栅源之间形成一个 5.1V 的偏压；下管开通同时脚 1（LO）输出高电平通过Rg2，R2开通 MOSFET 让C3进行充电;当 IR2110 的脚 7（HO）输出为高电平时，由C3放电提供上管开 通电流，同时给C2充电并由 VW2钳位5.1V，下管关断时Vc2即形成负偏压。为 了只用 IR2110 的保护功能，把脚 11（SD）端接地。 图 7 是用 UC3637 产生 PWM 波的电路。由图 7 可知，这是一个开环小信号放 大电路，因为，小信号的电压幅值相对三角波幅值过
9、低，所以，小信号先经过 UC3637 本身的 Error 运算放大器进行放大，使其幅值约等于三角波的幅值。本 电路没有利用 UC3637 做死区，而是单独作了一个死区延时。然后把放 大的信 号直接和三角波进行比较，分别在 UC3637 的脚 4 及脚 7 输出反相的 SPWM 波， 经过死区延时电路、滤杂波电路、隔离电路送到 IR2110 驱动芯 片。 图 7 采用 UC3637 的 PWM 产生电路 设计电路应注意以下问题： 1）UC3637 的 RT 和 CT 要适当选择，避免 RT 上的电流过大，损坏片子； 2）驱动电路中C2值要远远大于上管的栅源极之间的极间电容值； 3）IR2110
10、的自举元件电容的选择取决于开关频率，VDD及功率 MOSFET 的栅 源极的充电需要，二极管的耐压值必须高于峰值电压，其功耗应尽可能小并能 快速恢复； 4）IR2110 的驱动脉冲上升沿取决于Rg，Rg值不能过大以免使其驱动脉冲 的上升沿不陡，但也不能使驱动均值电流过大以免损坏 IR2110； 5）当 PWM 产生电路是模拟电路时可以直接把信号接到 IR2110；当用采数 字信号时要考虑隔离； 6）注意直流偏磁问题。 4 实验结果 由一个信号发生器模拟输入，UC3637 产生 63kHz 的三角波，直流母线电压 是 220V。本电路分别在假性负载和压电陶瓷负载下做实验，输出端输出很好的 放大信
11、号。 图 8 是在实验室做单频正弦输入信号上下功率 MOSFET 的驱动波形，图 9 是 逆变桥的输出。图 10 也是输出波形（时间参数变化），图 11 是M=0.1 时带假 性负载的负载波形。 图 8 上下开关管驱动波形 图 9 逆变桥输出波形（量程所限） 图 10 逆变桥输出波形 图 11 负载波形真正的信号是一个随机的信号，负载是一个压电换声器，本电路在 M1.0，变压器变比为 17 时，能使小信号放大到峰值 3.2kV，输出有效值能 到 680V，放大信号失真很小，满足技术要求。由于高压示波器没有接口，而未 能把负载两端的波形拍出来。 5 结语 1）UC3637 采用为数不多的集成电路，就可构成一个完整的逆变控制电路， 控制电路简单、实用，硬件投资不高，使用证明性能稳定，可靠； 2）UC3637 和 IR2110 具有很高的抗干扰性能，一片 IR2110 在较大功率下 可安全驱动功率 MOSFET 或 IGBT 的半桥； 3）由于 IR2110 具有双通道驱动特性，且电路简单，使用方便，价格相对 EXB841 便宜，具有较高的性价比。
