恒流二極管分壓的懸浮脈沖單臂橋驅(qū)動(dòng)器研制

胡正國(guó)，屈子琦

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 湖南 株洲 412007）

恒流二極管分壓的懸浮脈沖單臂橋驅(qū)動(dòng)器研制

胡正國(guó)，屈子琦

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 湖南 株洲 412007）

設(shè)計(jì)了一種恒流二極管分壓的懸浮脈沖單臂橋驅(qū)動(dòng)器。先介紹了懸浮脈沖驅(qū)動(dòng)模塊電路結(jié)構(gòu)和工作原理，以及恒流模塊中恒流二極管的特性、恒流二極管串聯(lián)均壓計(jì)算方法；再利用該原理設(shè)計(jì)了驗(yàn)證電路，并應(yīng)用在半橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)電源中。驗(yàn)證電路的測(cè)試結(jié)果表明：恒流二極管分壓的懸浮脈沖單臂橋驅(qū)動(dòng)器的性能完全滿足設(shè)計(jì)要求，值得推廣。

恒流二極管；單臂橋；懸浮脈沖；驅(qū)動(dòng)器

0　引言

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展以及人們對(duì)懸浮脈沖單臂橋驅(qū)動(dòng)器的需求不斷增大，對(duì)其尺寸、效率、可靠性、壽命及舒適性方面的要求越來越高。懸浮脈沖單臂橋驅(qū)動(dòng)器多用于低壓之間的轉(zhuǎn)換，且該技術(shù)比較成熟。由于受器件特性和電路的耐壓性能較差的限制，懸浮脈沖單臂橋驅(qū)動(dòng)器直接應(yīng)用于高壓電路中，會(huì)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作成本高、通用性差的缺陷。

恒流二極管（current regulative diode，CRD）是電子設(shè)備和裝置中的一種常用元件，屬于兩端結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)的恒流器件，能在很寬的電壓范圍內(nèi)輸出恒定電流，具有很高的動(dòng)態(tài)阻抗［1-2］。由恒流二極管和均壓電阻組成的恒流模塊具有恒流性能好、價(jià)格較低、使用簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。

有鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種由懸浮脈沖驅(qū)動(dòng)模塊和恒流模塊組成的恒流二極管分壓的懸浮脈沖單臂橋驅(qū)動(dòng)器。該設(shè)計(jì)獲得了國(guó)家專利［3-4］。

1　電路原理介紹

恒流二極管分壓的懸浮脈沖單臂橋驅(qū)動(dòng)器的主電路原理圖如圖1所示。

圖1　主電路原理圖Fig. 1　The main circuit principle diagram

恒流二極管分壓的懸浮脈沖單臂橋驅(qū)動(dòng)器主要由2個(gè)懸浮脈沖驅(qū)動(dòng)模塊（懸浮脈沖驅(qū)動(dòng)模塊H與懸浮脈沖驅(qū)動(dòng)模塊L）和N個(gè)恒流模塊（恒流模塊1，恒流模塊2，...，恒流模塊N）依次串聯(lián)組成，其首端和尾端分別接直流電源的正端HV+和直流電源負(fù)端HV-。由于懸浮脈沖驅(qū)動(dòng)模塊有穩(wěn)壓范圍，每個(gè)恒流模塊都有工作電壓范圍，故恒流模塊的數(shù)量也會(huì)有一個(gè)動(dòng)態(tài)范圍，即懸浮脈沖驅(qū)動(dòng)模塊和N個(gè)恒流模塊的累計(jì)電壓差不能超過直流電源正端HV+與直流電源負(fù)端HV-的電壓差［5-8］。

1.1懸浮脈沖驅(qū)動(dòng)模塊

懸浮脈沖驅(qū)動(dòng)模塊有懸浮脈沖驅(qū)動(dòng)模塊H與懸浮脈沖驅(qū)動(dòng)模塊L，且它們的電路結(jié)構(gòu)相同。本文僅以懸浮脈沖驅(qū)動(dòng)模塊H為例加以說明，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。懸浮脈沖驅(qū)動(dòng)模塊H外部端口包含電源輸入端VE_H、脈沖輸入端PULSEIN_H、脈沖輸出端PULSEOUT_H和DGND_H工作地端，內(nèi)部包含一個(gè)穩(wěn)壓電路和一個(gè)與門電路。

圖2　懸浮脈沖驅(qū)動(dòng)模塊H電路結(jié)構(gòu)圖Fig. 2　The circuit diagram of suspension pulse driver module H

與門電路的邏輯關(guān)系為

式中：A和B分別為邏輯門輸入端A， B的值；C為輸出端C的值。穩(wěn)壓電路與與門電路的關(guān)系如表1所示，與門電路中輸入端A對(duì)應(yīng)穩(wěn)壓電路的輸出端VOUT，輸入端B對(duì)應(yīng)脈沖輸入端PULSEIN_H，輸出端C對(duì)應(yīng)脈沖輸出端PULSEOUT_H。

表1　與門電路的真值表Table 1　The truth value of gate circuit

由表1可以看出，當(dāng)與門電路輸入端A為1時(shí)，即整個(gè)驅(qū)動(dòng)器處于通電狀態(tài)。由于邏輯門輸入端A與邏輯門輸入端B為與的邏輯關(guān)系，輸出端C的輸出狀態(tài)取決于邏輯門輸入端B［9］。具體表現(xiàn)如下。

1）當(dāng)輸入端A為1，輸入端B為1時(shí)，輸出端C為1。

2）當(dāng)輸入端A為1，輸入端B為0時(shí)，輸出端C的輸出狀態(tài)為0。

1.2恒流模塊

恒流二極管是一種硅材料制作的基礎(chǔ)電子器件，相當(dāng)于一個(gè)恒流源或最大峰值電流的限制電路，即當(dāng)出現(xiàn)電源電壓供電不穩(wěn)定或是負(fù)載電阻變化很大的情況時(shí)，其都能確保供電電流穩(wěn)定。恒流二極管是實(shí)現(xiàn)各種電子設(shè)備的恒流源、穩(wěn)壓源及保護(hù)電路的重要器件之一。

每個(gè)恒流模塊的電路結(jié)構(gòu)均相同。以恒流模塊i為例，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。恒流模塊i的外部端口包含輸入端IIN_i和輸出端IOUT_i，內(nèi)部由恒流二極管DH_i和均壓電阻RH_i并聯(lián)組成。

圖3　恒流模塊i電路結(jié)構(gòu)圖Fig. 3　Constant current module i

本設(shè)計(jì)采用2H1002A恒流二極管，其典型V-I特性和溫度特性如圖4所示。

圖4　恒流二極管的典型特性圖Fig. 4　Typical characteristics of constant current diode

由圖4可知：1）恒流二極管兩端所加電壓在10～100 V之間時(shí)，其恒定輸出22 mA左右電流；2）當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，恒流二極管的恒定電流也會(huì)隨之發(fā)生變化，但2H1002A溫漂小，熱穩(wěn)定性較好，恒流二極管是非常理想的恒流元件。

2　均壓計(jì)算

恒流二極管的工作電壓范圍是一定的，若超過其工作電壓范圍，就需要串聯(lián)兩個(gè)或兩個(gè)以上的恒流二極管。每個(gè)恒流二極管具有一定的離散性，故本文在此基礎(chǔ)上使用均壓電阻。在工程應(yīng)用中，均壓電阻的計(jì)算分為2種情況，恒流二極管未導(dǎo)通狀態(tài)和恒流二極管導(dǎo)通狀態(tài)［10-16］。

1）當(dāng)恒流二極管未導(dǎo)通時(shí)，在兩端施加正向電壓，則串聯(lián)的多個(gè)恒流二極管將共同承擔(dān)電壓，并進(jìn)行電壓的分配。漏電阻越大，承受的電壓越大［17］。為解決恒流二極管靜態(tài)時(shí)的均壓?jiǎn)栴}，需在其兩端并聯(lián)遠(yuǎn)小于漏電阻的均壓電阻RH_i，即

式中：URED為恒流二極管導(dǎo)通電壓；IDER為靜態(tài)重復(fù)平均電流，即

其中IDR近似為漏電流峰值。

2）恒流二極管導(dǎo)通時(shí)，因各自串聯(lián)的恒流二極管導(dǎo)通阻抗不同，進(jìn)而造成其導(dǎo)通壓降不同。壓降大的恒流二極管輸出電壓有可能超出其恒流輸出的電壓工作極限范圍，導(dǎo)致電壓分配不均勻。一般，在恒流二極管兩端并聯(lián)由均壓電阻RH_i構(gòu)成的均壓電路來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均壓。均壓電阻值一般取10～30 k，本設(shè)計(jì)取18 k。

3　實(shí)例分析

3.1實(shí)例電路介紹

一種典型的實(shí)例示意圖如圖5所示。

圖5　典型的實(shí)例示意圖Fig. 5　Schematic diagram of a typical example

懸浮脈沖驅(qū)動(dòng)模塊H與懸浮脈沖驅(qū)動(dòng)模塊L的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)均相同，在此僅以懸浮脈沖驅(qū)動(dòng)模塊H為例加以說明。懸浮脈沖驅(qū)動(dòng)模塊H中的穩(wěn)壓電路由三端穩(wěn)壓器TH_1、分壓電阻RH_1、偏置電阻RH_2和偏置電阻RH_3組成。其中，三端穩(wěn)壓器TH_1的型號(hào)為TL431，RH_1阻值為0.3 k，RH_2阻值為38 k，RH_3阻值為10k。與門邏輯芯片ICH_1的型號(hào)為CD4081。

恒流模塊1和恒流模塊2中的恒流二極管分別為D1和D2，其型號(hào)均為2H1002A；均壓電阻分別為R1和R2，阻值均為18 k。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)電路的工作原理和參數(shù)設(shè)計(jì)值，本文設(shè)計(jì)了實(shí)際電路。測(cè)試時(shí)，輸入交流電壓為1 000 V，輸出接額定負(fù)載后，再上電。通過固緯GDS-2104示波器的CH1， CH2通道，得到恒流二極管分壓的懸浮脈沖單臂橋驅(qū)動(dòng)器輸出端的電壓波形［18］，如圖6所示。通道CH1顯示的是上橋臂波形，通道CH2顯示的是下橋臂波形。從波形圖可以看出，上橋臂工作的時(shí)候，下橋臂關(guān)斷；下橋臂工作的時(shí)候，上橋臂關(guān)斷；且有一段時(shí)間為上橋臂和下橋臂都關(guān)斷，為死區(qū)時(shí)間。由圖可知，上橋臂和下橋臂的輸出電壓為15 V左右，基本達(dá)到預(yù)期效果。

通過對(duì)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)測(cè)，結(jié)果表明該變換器符合軟開關(guān)的要求，也能夠穩(wěn)定輸出電壓，達(dá)到了預(yù)期效果。

圖6　電路輸出電壓波形Fig. 6　Circuit output voltage waveform

4　結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種恒流二極管分壓的懸浮脈沖單臂橋驅(qū)動(dòng)器。該單臂橋驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)合理、構(gòu)建方便、通用性好，不但能克服現(xiàn)有的單臂橋脈沖驅(qū)動(dòng)器高壓適應(yīng)性的不足，而且能有效地實(shí)現(xiàn)隔離和懸浮的電平轉(zhuǎn)換。在實(shí)際運(yùn)用中，該驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有良好的動(dòng)態(tài)特性、較強(qiáng)的抗干擾能力，值得推廣和使用。

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（責(zé)任編輯：鄧彬）

Research of Suspension Pulse Single Arm Bridge Driver with Constant Current Diode Partial Pressure for Driving

HU Zhengguo，QU Ziqi
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

A constant current diode voltage pulse circuit structure of single arm suspension bridge driver was designed. Firstly introduced the circuit structure and working principle of suspension pulse driving module， the constant current diode characteristics of constant current module and the partial pressure calculation method of constant current diode in series. Then applied the principle to design the testing circuit， and used the circuit in half bridge topology switching power supply. The test result indicated that the driver performance fully met with design requirements， and it was worth spreading.

constant current diode；single arm bridge；suspension pulse；driver

TN31

A

1673-9833（2016）02-0032-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.02.006

2016-01-24

胡正國(guó)（1989-），男，江西上饒人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代電力電子技術(shù)及系統(tǒng)，E-mail：313071533@qq.com