胡正國，屈子琦

（湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院， 湖南 株洲 412007）

恒流二極管分壓的懸浮脈沖單臂橋驅動器研制

胡正國，屈子琦

（湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院， 湖南 株洲 412007）

設計了一種恒流二極管分壓的懸浮脈沖單臂橋驅動器。先介紹了懸浮脈沖驅動模塊電路結構和工作原理，以及恒流模塊中恒流二極管的特性、恒流二極管串聯(lián)均壓計算方法；再利用該原理設計了驗證電路，并應用在半橋式拓撲結構的開關電源中。驗證電路的測試結果表明：恒流二極管分壓的懸浮脈沖單臂橋驅動器的性能完全滿足設計要求，值得推廣。

恒流二極管；單臂橋；懸浮脈沖；驅動器

0　引言

隨著電子技術的快速發(fā)展以及人們對懸浮脈沖單臂橋驅動器的需求不斷增大，對其尺寸、效率、可靠性、壽命及舒適性方面的要求越來越高。懸浮脈沖單臂橋驅動器多用于低壓之間的轉換，且該技術比較成熟。由于受器件特性和電路的耐壓性能較差的限制，懸浮脈沖單臂橋驅動器直接應用于高壓電路中，會存在結構復雜、制作成本高、通用性差的缺陷。

恒流二極管（current regulative diode，CRD）是電子設備和裝置中的一種常用元件，屬于兩端結型場效應的恒流器件，能在很寬的電壓范圍內輸出恒定電流，具有很高的動態(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、價格較低、使用簡便的優(yōu)點。

有鑒于此，本文設計了一種由懸浮脈沖驅動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動器。該設計獲得了國家專利［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動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動器主要由2個懸浮脈沖驅動模塊（懸浮脈沖驅動模塊H與懸浮脈沖驅動模塊L）和N個恒流模塊（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+和直流電源負端HV-。由于懸浮脈沖驅動模塊有穩(wěn)壓范圍，每個恒流模塊都有工作電壓范圍，故恒流模塊的數(shù)量也會有一個動態(tài)范圍，即懸浮脈沖驅動模塊和N個恒流模塊的累計電壓差不能超過直流電源正端HV+與直流電源負端HV-的電壓差［5-8］。

1.1懸浮脈沖驅動模塊

懸浮脈沖驅動模塊有懸浮脈沖驅動模塊H與懸浮脈沖驅動模塊L，且它們的電路結構相同。本文僅以懸浮脈沖驅動模塊H為例加以說明，其電路結構如圖2所示。懸浮脈沖驅動模塊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，內部包含一個穩(wěn)壓電路和一個與門電路。

圖2　懸浮脈沖驅動模塊H電路結構圖Fig. 2　The circuit diagram of suspension pulse driver module H

與門電路的邏輯關系為

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系如表1所示，與門電路中輸入端A對應穩(wěn)壓電路的輸出端VOUT，輸入端B對應脈沖輸入端PULSEIN_H，輸出端C對應脈沖輸出端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，當與門電路輸入端A為1時，即整個驅動器處于通電狀態(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）當輸入端A為1，輸入端B為1時，輸出端C為1。

2）當輸入端A為1，輸入端B為0時，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電子器件，相當于一個恒流源或最大峰值電流的限制電路，即當出現(xiàn)電源電壓供電不穩(wěn)定或是負載電阻變化很大的情況時，其都能確保供電電流穩(wěn)定。恒流二極管是實現(xiàn)各種電子設備的恒流源、穩(wěn)壓源及保護電路的重要器件之一。

每個恒流模塊的電路結構均相同。以恒流模塊i為例，其電路結構如圖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電路結構圖Fig. 3　Constant current module i

本設計采用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，其恒定輸出22 mA左右電流；2）當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，恒流二極管的恒定電流也會隨之發(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)兩個或兩個以上的恒流二極管。每個恒流二極管具有一定的離散性，故本文在此基礎上使用均壓電阻。在工程應用中，均壓電阻的計算分為2種情況，恒流二極管未導通狀態(tài)和恒流二極管導通狀態(tài)［10-16］。

1）當恒流二極管未導通時，在兩端施加正向電壓，則串聯(lián)的多個恒流二極管將共同承擔電壓，并進行電壓的分配。漏電阻越大，承受的電壓越大［17］。為解決恒流二極管靜態(tài)時的均壓問題，需在其兩端并聯(lián)遠小于漏電阻的均壓電阻RH_i，即

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

其中IDR近似為漏電流峰值。

2）恒流二極管導通時，因各自串聯(lián)的恒流二極管導通阻抗不同，進而造成其導通壓降不同。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構成的均壓電路來實現(xiàn)動態(tài)均壓。均壓電阻值一般取10～30 k，本設計取18 k。

3　實例分析

3.1實例電路介紹

一種典型的實例示意圖如圖5所示。

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

懸浮脈沖驅動模塊H與懸浮脈沖驅動模塊L的電路結構和參數(shù)均相同，在此僅以懸浮脈沖驅動模塊H為例加以說明。懸浮脈沖驅動模塊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，其型號均為2H1002A；均壓電阻分別為R1和R2，阻值均為18 k。

3.2實驗結果與分析

根據(jù)電路的工作原理和參數(shù)設計值，本文設計了實際電路。測試時，輸入交流電壓為1 000 V，輸出接額定負載后，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動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，上橋臂工作的時候，下橋臂關斷；下橋臂工作的時候，上橋臂關斷；且有一段時間為上橋臂和下橋臂都關斷，為死區(qū)時間。由圖可知，上橋臂和下橋臂的輸出電壓為15 V左右，基本達到預期效果。

通過對樣機進行實測，結果表明該變換器符合軟開關的要求，也能夠穩(wěn)定輸出電壓，達到了預期效果。

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

4　結語

本文設計了一種恒流二極管分壓的懸浮脈沖單臂橋驅動器。該單臂橋驅動器設計簡單、結構合理、構建方便、通用性好，不但能克服現(xiàn)有的單臂橋脈沖驅動器高壓適應性的不足，而且能有效地實現(xiàn)隔離和懸浮的電平轉換。在實際運用中，該驅動器運行穩(wěn)定可靠，具有良好的動態(tài)特性、較強的抗干擾能力，值得推廣和使用。

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（責任編輯：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（1989-），男，江西上饒人，湖南工業(yè)大學碩士生，主要研究方向為現(xiàn)代電力電子技術及系統(tǒng)，E-mail：313071533@qq.com