基于TL494和IR2110的斷路器操作電源的設(shè)計(jì)電路 - 全文

　　0、引言

　　高壓斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的控制和保護(hù)電路，其作用就是接通或切斷高壓電路，對(duì)電力系統(tǒng)起保護(hù)作用。動(dòng)作電壓試驗(yàn)、機(jī)械特性測(cè)試是最能反映高壓斷路器電氣、機(jī)械性能的測(cè)試，通過(guò)它能考核斷路器的各種開(kāi)斷與關(guān)合性能，驗(yàn)證滅弧室與其它部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制造工藝和材料選擇是否正確合理，盡早檢測(cè)出斷路器的機(jī)械缺陷和隱患，避免發(fā)生高壓斷路器拒分、拒合、分合不成功、爆炸等事故發(fā)生。因?yàn)椴僮鳈C(jī)構(gòu)動(dòng)作遲緩等，將引起消弧的延緩，其后果使繼電保護(hù)動(dòng)作不正確，如躍級(jí)跳閘等，嚴(yán)重時(shí)使斷路器爆炸。

　　高壓斷路器動(dòng)作電壓試驗(yàn)、機(jī)械特性測(cè)試是斷路器安裝、檢修工作中必不可少的項(xiàng)目，也是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的一項(xiàng)基本預(yù)防性試驗(yàn)。為了做好該項(xiàng)測(cè)試，可調(diào)電壓的斷路器操作控制電源是關(guān)鍵。當(dāng)前廣泛使用的整流電源，在帶上負(fù)載后的輸出電壓，比較之前的整定值會(huì)有明顯跌落。無(wú)論是恒定還是瞬間的電壓跌落，其對(duì)斷路器動(dòng)作特性影響都是不可忽視的，因?yàn)閿嗦菲鞑僮骶€(xiàn)圈的動(dòng)作時(shí)間不到一個(gè)周波，整個(gè)斷路器的分、合閘時(shí)間也只是幾個(gè)周波。對(duì)動(dòng)作電壓試驗(yàn)而言，操作電壓跌落的影響就更大。因此，需要研制較高負(fù)載調(diào)整特性、紋波系數(shù)小、抗干擾性強(qiáng)的斷路器操作控制電源。隨著高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，使得較高負(fù)載調(diào)整特性、紋波系數(shù)小、抗干擾性強(qiáng)的斷路器操作控制電源研制有了技術(shù)基礎(chǔ)與背景。

　　本文采用電壓脈寬型PWM控制芯片TL494，高壓懸浮驅(qū)動(dòng)器IR2110，以及功率開(kāi)關(guān)器件IGBT方案實(shí)現(xiàn)高頻開(kāi)關(guān)電源。

　　1、電源主要技術(shù)指標(biāo)、工作原理與系統(tǒng)構(gòu)成

　　1.1電源的主要技術(shù)指標(biāo)

　　輸入電壓范圍：220VAC±10%50Hz±5%

　　環(huán)境工作溫度：-50℃～45℃

　　輸出電壓范圍：30VDC～265VDC

　　連續(xù)可調(diào)最大輸出電流：Imax=15A

　　輸出紋波系數(shù)：《±0.2%結(jié)

　　構(gòu)型式：便攜式

　　1.2工作原理

　　該高頻開(kāi)關(guān)電源由主電路、控制電路、保護(hù)電路、濾波電路、輔助電源和散熱裝置組成。輸入的220V交流電經(jīng)二極管全波整流及大電容濾波后得到平滑穩(wěn)定的直流電，然后由IGBT全橋結(jié)構(gòu)的逆變電路將其逆變?yōu)楦哳l交流方波，再經(jīng)變壓器升壓和輸出整流濾波電路濾波將交流方波整定為所需的可調(diào)直流電?？刂齐娐酚蒚L494和IR2110構(gòu)成，TL494輸出的PWM信號(hào)經(jīng)IR2110放大驅(qū)動(dòng)IGBT。保護(hù)電路設(shè)有軟啟動(dòng)、過(guò)電流、過(guò)電壓等保護(hù)功能。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　圖1系統(tǒng)框圖

　　2、TL494的結(jié)構(gòu)和性能

　　TL494是美國(guó)德克薩斯州儀器公司生產(chǎn)的一種性能優(yōu)良的電壓驅(qū)動(dòng)型脈寬調(diào)制器件，可作為單端式、推挽式、全橋式、半橋式開(kāi)關(guān)電源控制器，被廣泛應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源中，是開(kāi)關(guān)電源的核心控制器件。TL494的輸出三極管可接成共發(fā)射極及射極跟隨2種方式，因而可以選擇雙端推挽輸出或單端輸出方式。在推挽輸出方式時(shí)，其兩路驅(qū)動(dòng)脈沖相差180°，而在單端方式時(shí)，其兩路驅(qū)動(dòng)脈沖為同步同相。TL494是有16引腳雙列直插式塑料封裝集成芯片。它的工作頻率為1～300kHz，輸出電壓達(dá)40V，輸出電流為200mA。TL494的引腳說(shuō)明如下：

　　1、2腳：內(nèi)部誤差放大器1的同相輸入端和反相輸入端，可用于閉環(huán)穩(wěn)壓;

　　3腳：脈寬調(diào)制補(bǔ)償端;

　　4腳：死區(qū)時(shí)間設(shè)置端，通過(guò)設(shè)置死區(qū)時(shí)間，可防止上下橋臂直通;

　　5、6腳：設(shè)定振蕩器頻率用電容與電阻連接端;

　　7腳：工作參考地端;

　　8、11腳：脈寬調(diào)制方波輸出晶體管的集電極;

　　9、10腳：脈寬調(diào)制方波輸出晶體管的發(fā)射極;

　　12腳：工作電源連接端，極限電壓41V，低于7V電路不啟動(dòng);

　　13腳：輸出方式控制端，在該端為高電平時(shí)，TL494為推挽輸出型，最大占空比為48%;在該端為低電平時(shí)，兩路輸出脈沖相同，最大占空比為98%;

　　14腳：基準(zhǔn)電壓輸出端，該端輸出一標(biāo)準(zhǔn)的5V±5%基準(zhǔn)電壓，其溫度穩(wěn)定性好，可用來(lái)作為給定信號(hào)或保護(hù)基準(zhǔn)信號(hào);

　　15、16腳：內(nèi)部誤差放大器2的反向輸入端與同相輸入端，用于過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)。

　　TL494的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

　　3、IR2110的結(jié)構(gòu)和性能

　　IR2110是IR（InternationalRectifier）公司設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)集成電路芯片。該芯片是一種雙通道、柵極驅(qū)動(dòng)、高壓高速功率器件的單片式集成驅(qū)動(dòng)模塊，在芯片中采用了高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了邏輯

　　圖2TL494的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　電路對(duì)功率器件的控制要求，同時(shí)提高了驅(qū)動(dòng)電路的可靠性。尤其是上管采用外部自舉電容上電，使得驅(qū)動(dòng)電源數(shù)目較其他IC驅(qū)動(dòng)大大減少，本開(kāi)關(guān)電源采用2片IR2110來(lái)驅(qū)動(dòng)單相全橋的4個(gè)IGBT，僅需一路10V～20V的電源。這樣不僅降低了產(chǎn)品成本，并且提高了系統(tǒng)可靠性。其耐壓最高可達(dá)500V;功率器件柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍10V～20V;輸出電流峰值為2A;而且邏輯電源地和功率地之間允許+5V的偏移量;帶有下拉電阻的COMS施密特輸入端，可以方便地與LSTTL和CMOS電平匹配;獨(dú)立的低端和高端輸入通道，具有欠電壓同時(shí)鎖定兩通道功能;兩通道的匹配延時(shí)為10ns;開(kāi)關(guān)通斷延時(shí)小，分別為120ns和90ns;工作頻率達(dá)500kHz。下面是IR2110的引腳說(shuō)明：

　　1腳：LO，低端輸出;

　　2腳：COM，低端電源公共端;

　　3腳：VCC，低端固定電源電壓;

　　5腳：VS，高端浮置電源公共端;

　　6腳：VB，高端浮置電源電壓;

　　7腳：HO，高端輸出;

　　9腳：VDD，邏輯電路電源電壓;

　　10腳：HIN，邏輯輸入控制端;

　　11腳：SD，輸入關(guān)閉端;

　　12腳：LIN，低端邏輯輸入;

　　13腳：VSS，邏輯電路接地端。

　　IR2110的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

　　圖3IR2110的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

　　4、運(yùn)用TL494與IR2110設(shè)計(jì)的斷路器操作電源的控制電路

　　斷路器操作電源的控制電路和主電路如圖4所示，控制電路由TL494與IR2110構(gòu)成，主電路是四個(gè)IGBT構(gòu)成的全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。主電路把直流電壓U1轉(zhuǎn)換為高頻矩形波交流電壓送到高頻高壓變壓器，經(jīng)升壓整流濾波后提供給負(fù)載供電。電路通過(guò)TL494控制PWM1和PWM2的占空比，來(lái)得到脈寬可調(diào)的矩形波交流電壓。本電源是電壓閉環(huán)控制，通過(guò)霍爾傳感器檢測(cè)輸出電壓，把轉(zhuǎn)換后得到的電壓值送入TL494的1腳。霍爾傳感器采用利用磁補(bǔ)償原理的HNV025A、HNV025A能夠測(cè)量直流、交流以及各種波形電壓，同時(shí)在電氣上是高度絕緣的，既完成了電壓檢測(cè)，又實(shí)現(xiàn)了控制電路和主電路的電氣隔離。它的輸入額定電流是10mA，輸出額定電流是25mA。TL494的2腳輸入的是參考電壓，由電位器調(diào)節(jié)電壓值。

　　TL494是一個(gè)固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線(xiàn)性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過(guò)外部的一個(gè)電阻和一個(gè)電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如下：

　　本開(kāi)關(guān)電源RT為2.5kΨ，CT為0.01μF，振蕩頻率為40kHz，振蕩頻率是開(kāi)關(guān)頻率的兩倍，所以開(kāi)關(guān)頻率是20kHz.

　　圖4由TL494與IR2110構(gòu)成的控制電路

　　輸出脈沖的寬度是通過(guò)電容CT上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行比較來(lái)實(shí)現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門(mén)。當(dāng)雙穩(wěn)觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)才會(huì)被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號(hào)期間才會(huì)被選通。當(dāng)控制信號(hào)增大，輸出脈沖的寬度將減小。脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個(gè)手段：當(dāng)反饋電壓從0.5V變化到3.5V時(shí)，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時(shí)間中下降到零。死區(qū)時(shí)間通過(guò)設(shè)定TL494的4腳電壓值來(lái)確定。死區(qū)時(shí)間比較器具有120mV的輸入補(bǔ)償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時(shí)間約等于鋸齒波周期的4%，本開(kāi)關(guān)電源輸出端接參考電平，最大占空比為48%。

　　在9腳、10腳輸出兩路PWM信號(hào)，這時(shí)的PWM信號(hào)還不足以直接驅(qū)動(dòng)IGBT，所以接兩片IR2110放大PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)4只IGBT。IR2110的10腳、12腳輸入TL494輸出的PWM信號(hào)，1腳、7腳輸出放大了的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷。Vcc通過(guò)快恢復(fù)二極管向自舉電容C6充電，C6旁邊并聯(lián)的高頻小電容C7用來(lái)吸收高頻毛刺干擾電壓。

　　5、結(jié)論

　　如何研制方便使用、測(cè)試準(zhǔn)確、安全可靠的斷路器調(diào)試測(cè)量?jī)x器，以便做好高壓斷路器的測(cè)試維護(hù)，成為電力工作的一大主題。由脈寬調(diào)制控制芯片TL494和高壓驅(qū)動(dòng)器IR2110構(gòu)成的高頻開(kāi)關(guān)電源，具有控制簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)、紋波系數(shù)小、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，適合用于測(cè)試斷路器的電氣和機(jī)械性能。