一種新型冷光驅(qū)動電源

馮友宏， 丁緒星， 陳 饒

（安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽蕪湖 241000）

0 引 言

電致冷光膜是一種布狀新型發(fā)光材料，具有節(jié)能環(huán)保、安全可靠和可塑性強等眾多優(yōu)點，但由于驅(qū)動其工作的驅(qū)動電源大多存在工作不穩(wěn)定、功耗大、負(fù)載特性不匹配、成本昂貴，因而使得冷光膜得不到廣泛的應(yīng)用。文中設(shè)計的冷光膜驅(qū)動電源不僅解決了傳統(tǒng)電源存在的這些問題，而且還可以使冷光膜工作在多種工作模式之下，使其看起來更加絢麗。

1 系統(tǒng)主電路設(shè)計

系統(tǒng)的硬件主電路如圖1所示。

圖1 驅(qū)動電源結(jié)構(gòu)框圖

主電路包括EMI濾波電路、功率因數(shù)校正電路和DC／AC逆變電路。EMI濾波電路用來濾除市電中的差模和共模干擾信號，前級電源入口處設(shè)計了過壓過流保護電路。功率因數(shù)校正電路對濾波后的市電信號進行功率因數(shù)校正，以提高電源的使用效率達(dá)到0.99以上，再通過DC／AC逆變電路將電壓逆變成冷光膜工作所要的110V，800Hz交流信號。

1.1 EMI濾波電路設(shè)計

EMI濾波電路如圖2所示。

圖2 EMI濾波電路

圖中，F(xiàn)1為一個2A慢熔型保險管，防止電路短路起過流保護作用，也防止啟動沖擊電流對其造成誤保護。壓敏電阻RV1與電阻R1，R2，R3構(gòu)成過壓保護電路，用來削減串入的高壓脈沖防止損壞電源。電容C1與C2為差模電容，用來消除市電中的差模干擾信號，C3與C4為共模電容，消除市電中相線與中線間的共模干擾，L1與L2為共模扼流圈。

共模扼流圈是兩個匝數(shù)相同繞制方向相反的線圈，對于共模干擾電流起到很好的抑制作用。由于扼流圈兩電感的繞制不可能完全對稱，存在一定的差模漏電感，起到差模干擾電流抑制的作用，因此，文中省去了差模扼流圈的設(shè)計。共模電感的計算公式如下：

式中：A——鐵芯橫截面積；

D——磁環(huán)平均直徑；

ur——磁環(huán)初始磁導(dǎo)率；

N——線圈匝數(shù)。

文中設(shè)計的共模扼流圈的電感值大小分別為2.4mH和20mH。

共模電容也是用于抑制高頻共模干擾信號，選用自諧振頻率較高的陶瓷電容。由于共模電容接地，因此存在漏電流，漏電流的大小可以表示為：

式中：Um——市電電壓；

fm——市電頻率；

C——共模電容。

漏電流會對人身安全造成影響，因此，有一個漏電流標(biāo)準(zhǔn)，在中國是要小于1mA［3］。至此，可以得到共模電容的最大值為：

根據(jù)上式，得到共模電容的最佳值為2 200pF。

差模電容用來濾除電路中的差模干擾，可以在電源失效的情況下保證人身的安全，文中選用的差模電容為220nF，275V和470nF，275V的薄膜電容。

1.2 功率因數(shù)校正電路設(shè)計

功率因數(shù)校正電路主電路原理如圖3所示。

圖3 功率因數(shù)校正電路主電路原理

電路的輸入為交流市電，輸出為400V直流電壓。輔助開關(guān)Q2與主開關(guān)Q4處于輪流導(dǎo)通，使開關(guān)工作在軟開關(guān)狀態(tài)。

引腳16是MOS管驅(qū)動引腳，控制MOS管開關(guān)從而改變輸出電壓。引腳16輸出的PWM波的占空比受到以下幾個輸入信號的影響：VSENSE，Iac，ISENSE，MULT OUT和Vrms。VSENSE是電壓輸出反饋端，Iac檢測電網(wǎng)中的電流信號，Vrms是電網(wǎng)電壓有效值前饋電路，輸入的是電網(wǎng)電壓的有效值。這3個信號共同決定乘法器的輸出IM，ISENSE和MULT OUT作為電流放大器的兩個輸入，接電流取樣電阻兩端，電容C7，C14和電阻R8組成電流放大器補償網(wǎng)絡(luò)，從而使得電網(wǎng)的電流跟隨電壓變化。這5個輸入信號共同影響著輸出的占空比，當(dāng)輸出電壓過高或電網(wǎng)中電流過大時，關(guān)斷16引腳。三極管Q3和Q5構(gòu)成功率放大電路，增大16引腳輸出信號的功率驅(qū)動MOS管。

1.3 功率因數(shù)校正輔助電路

功率因數(shù)校正電路工作于軟開關(guān)狀態(tài)下，必須要有輔助開關(guān)的協(xié)助，而如何控制輔助開關(guān)通斷時間，使其工作在軟開關(guān)狀態(tài)下，則由功率因數(shù)校正輔助電路來實現(xiàn)。功率因數(shù)校正輔助電路的原理圖如圖4所示。

圖4 NE555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器各引腳的輸出波形如圖5所示。

圖5 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出波形圖

由圖5可以看出，Uo總是先于Ui輸出高電平，Uo高電平持續(xù)的時間由電阻R1和電容C3確定。

1.4 DC／AC逆變電路的設(shè)計

逆變電路的目的是為了得到電致冷光膜工作所需要的110V電壓和800Hz頻率的交流信號。由于單片機輸出的SPWM波功率太小，無法驅(qū)動MOS管工作，因此，必須在兩者之間加上驅(qū)動電路，使開關(guān)器件能得到可靠的驅(qū)動信號而穩(wěn)定地工作。本設(shè)計采用兩個IR2110作為驅(qū)動器件，構(gòu)成一個基于移相全橋性軟開關(guān)技術(shù)的全橋逆變電路，如圖6所示。

圖6 全橋逆變電路

MOSFET開通關(guān)斷時序如圖7所示。

圖7 MOSFET開通關(guān)斷時序

電路工作過程如下：

以圖中t0時刻為分析的起始時刻。

1）t0時刻，開關(guān)管Q1關(guān)斷，電感L2中的電能給電容C11充電，直到A點電位為零時，Q3內(nèi)部二極管導(dǎo)通，A點被箝位于零電位。

2）開關(guān)管Q3開通，此時為零電壓開通，直到開關(guān)管Q4關(guān)斷，此時，電感L3中的電流給C7充電，B點電位不斷上升，直至Q2兩端二極管導(dǎo)通，開關(guān)管Q2兩端電壓箝位于零。

3）開關(guān)管Q2開通，此時為零電壓開通，至此，開關(guān)管Q2與Q3同時導(dǎo)通，使得iL2，iL3減小到零后，繼續(xù)反向增大。

至此，全橋逆變電路的半個周期工作完畢，另外半個周期工作方式相同。

4個MOS管開關(guān)的驅(qū)動信號是由單片機輸出的SPWM決定的。為了使電路工作于軟開關(guān)狀態(tài)，要使Q1超前于Q4開通和關(guān)斷，Q3超前于Q2開通和關(guān)斷。在不考慮死區(qū)電壓的情況下，單片機輸入的4組SPWM波使得UAB波形如圖8所示。

圖8 UAB輸出SPWM波

電源輸出的波形如圖9所示。

圖9 電源輸出交流信號

2 結(jié) 語

設(shè)計的冷光膜驅(qū)動電源改變了包括韓國在內(nèi)的冷光膜驅(qū)動電源的工作不穩(wěn)定的問題，該電源功率因數(shù)校正電路和DC／AC逆變電路使用了軟開關(guān)技術(shù)，使得電路的pF值近似為1，同時降低了開關(guān)管的開關(guān)損耗，增加了電源的使用壽命。而且設(shè)計的驅(qū)動電源與市場上售價一千多元驅(qū)動電源相比價格便宜，大大降低了電源的成本，具有良好的發(fā)展前景。在電源設(shè)計完成之后，對其在雨天、低溫和高溫（50℃）分別進行了長達(dá)300h的工作性能測試，測試結(jié)果表明該設(shè)計穩(wěn)定可靠。

［1］ 周志敏，周紀(jì)海.開關(guān)電源實用技術(shù)設(shè)計與應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2004.

［2］ 張厚升.基于UC3854的高功率因數(shù)校正器設(shè)計［J］.電力自動化設(shè)備，2007（1）：56-64.

［3］ 崔玲玲，翟偉峰.功率因數(shù)校正技術(shù)的分析［J］.電源世界，2010（9）：71-84.

［4］ 舒艷萍，陳為，毛行奎.開關(guān)電源有源共模EMI濾波器研究及其應(yīng)用［J］.電力電子技術(shù)，2007（6）：81-93.

［5］ 楊金輝，戴瑜興，易龍強，等.基于重復(fù)控制原理的正弦逆變控制［J］.電力電子技術(shù)，2010，44（5）：65-66，72.

［6］ D W Lin，M L Cheng，S W Wang，et al.A novel method of MOSFET series resistance extraction featuring constant mobility criteria and mobility universality［J］.IEEE Transactions on Electron Devices，2010，57（4）：890-897.

［7］ N Venkatagirish，J Ritesh，C S W Jason.The tunnel source（PNPN）n-MOSFET：A novelHigh performance transistor［J］.IEEE Transations on Electr on Devices，2008，55（4）：22-31.