基于TL494和IR2110的断路器操作电源的设计电路

　　0、引言

　　高压断路器是电力系统中最重要的控制和保护电路，其作用就是接通或切断高压电路，对电力系统起保护作用。动作电压试验、机械特性测试是最能反映高压断路器电气、机械性能的测试，通过它能考核断路器的各种开断与关合性能，验证灭弧室与其它部分的结构设计，制造工艺和材料选择是否正确合理，尽早检测出断路器的机械缺陷和隐患，避免发生高压断路器拒分、拒合、分合不成功、爆炸等事故发生。因为操作机构动作迟缓等，将引起消弧的延缓，其后果使继电保护动作不正确，如跃级跳闸等，严重时使断路器爆炸。

　　高压断路器动作电压试验、机械特性测试是断路器安装、检修工作中必不可少的项目，也是保证电力系统安全运行的一项基本预防性试验。为了做好该项测试，可调电压的断路器操作控制电源是关键。当前广泛使用的整流电源，在带上负载后的输出电压，比较之前的整定值会有明显跌落。无论是恒定还是瞬间的电压跌落，其对断路器动作特性影响都是不可忽视的，因为断路器操作线圈的动作时间不到一个周波，整个断路器的分、合闸时间也只是几个周波。对动作电压试验而言，操作电压跌落的影响就更大。因此，需要研制较高负载调整特性、纹波系数小、抗干扰性强的断路器操作控制电源。随着高频开关电源技术的发展应用，使得较高负载调整特性、纹波系数小、抗干扰性强的断路器操作控制电源研制有了技术基础与背景。

　　本文采用电压脉宽型PWM控制芯片TL494，高压悬浮驱动器IR2110，以及功率开关器件IGBT方案实现高频开关电源。

　　1、电源主要技术指标、工作原理与系统构成

　　1.1电源的主要技术指标

　　输入电压范围：220VAC±10%50Hz±5%

　　环境工作温度：-50℃～45℃

　　输出电压范围：30VDC～265VDC

　　连续可调最大输出电流：Imax=15A

　　输出纹波系数：《±0.2%结

　　构型式：便携式

　　1.2工作原理

　　该高频开关电源由主电路、控制电路、保护电路、滤波电路、辅助电源和散热装置组成。输入的220V交流电经二极管全波整流及大电容滤波后得到平滑稳定的直流电，然后由IGBT全桥结构的逆变电路将其逆变为高频交流方波，再经变压器升压和输出整流滤波电路滤波将交流方波整定为所需的可调直流电。控制电路由TL494和IR2110构成，TL494输出的PWM信号经IR2110放大驱动IGBT。保护电路设有软启动、过电流、过电压等保护功能。系统框图如图1所示。

　　

　　图1系统框图

　　2、TL494的结构和性能

　　TL494是美国德克萨斯州仪器公司生产的一种性能优良的电压驱动型脉宽调制器件，可作为单端式、推挽式、全桥式、半桥式开关电源控制器，被广泛应用于开关电源中，是开关电源的核心控制器件。TL494的输出三极管可接成共发射极及射极跟随2种方式，因而可以选择双端推挽输出或单端输出方式。在推挽输出方式时，其两路驱动脉冲相差180°，而在单端方式时，其两路驱动脉冲为同步同相。TL494是有16引脚双列直插式塑料封装集成芯片。它的工作频率为1～300kHz，输出电压达40V，输出电流为200mA。TL494的引脚说明如下：

　　1、2脚：内部误差放大器1的同相输入端和反相输入端，可用于闭环稳压;

　　3脚：脉宽调制补偿端;

　　4脚：死区时间设置端，通过设置死区时间，可防止上下桥臂直通;

　　5、6脚：设定振荡器频率用电容与电阻连接端;

　　7脚：工作参考地端;

　　8、11脚：脉宽调制方波输出晶体管的集电极;

　　9、10脚：脉宽调制方波输出晶体管的发射极;

　　12脚：工作电源连接端，极限电压41V，低于7V电路不启动;

　　13脚：输出方式控制端，在该端为高电平时，TL494为推挽输出型，最大占空比为48%;在该端为低电平时，两路输出脉冲相同，最大占空比为98%;

　　14脚：基准电压输出端，该端输出一标准的5V±5%基准电压，其温度稳定性好，可用来作为给定信号或保护基准信号;

　　15、16脚：内部误差放大器2的反向输入端与同相输入端，用于过电压和过电流保护。

　　TL494的内部结构图如图2所示。

　　3、IR2110的结构和性能

　　IR2110是IR（InternationalRectifier）公司设计的驱动集成电路芯片。该芯片是一种双通道、栅极驱动、高压高速功率器件的单片式集成驱动模块，在芯片中采用了高度集成的电平转换技术，大大简化了逻辑

　　

　　图2TL494的内部结构图

　　电路对功率器件的控制要求，同时提高了驱动电路的可靠性。尤其是上管采用外部自举电容上电，使得驱动电源数目较其他IC驱动大大减少，本开关电源采用2片IR2110来驱动单相全桥的4个IGBT，仅需一路10V～20V的电源。这样不仅降低了产品成本，并且提高了系统可靠性。其耐压最高可达500V;功率器件栅极驱动电压范围10V～20V;输出电流峰值为2A;而且逻辑电源地和功率地之间允许+5V的偏移量;带有下拉电阻的COMS施密特输入端，可以方便地与LSTTL和CMOS电平匹配;独立的低端和高端输入通道，具有欠电压同时锁定两通道功能;两通道的匹配延时为10ns;开关通断延时小，分别为120ns和90ns;工作频率达500kHz。下面是IR2110的引脚说明：

　　1脚：LO，低端输出;

　　2脚：COM，低端电源公共端;

　　3脚：VCC，低端固定电源电压;

　　5脚：VS，高端浮置电源公共端;

　　6脚：VB，高端浮置电源电压;

　　7脚：HO，高端输出;

　　9脚：VDD，逻辑电路电源电压;

　　10脚：HIN，逻辑输入控制端;

　　11脚：SD，输入关闭端;

　　12脚：LIN，低端逻辑输入;

　　13脚：VSS，逻辑电路接地端。

　　IR2110的内部结构框图如图3所示。

　　

　　图3IR2110的内部结构框图

　　4、运用TL494与IR2110设计的断路器操作电源的控制电路

　　断路器操作电源的控制电路和主电路如图4所示，控制电路由TL494与IR2110构成，主电路是四个IGBT构成的全桥拓扑结构。主电路把直流电压U1转换为高频矩形波交流电压送到高频高压变压器，经升压整流滤波后提供给负载供电。电路通过TL494控制PWM1和PWM2的占空比，来得到脉宽可调的矩形波交流电压。本电源是电压闭环控制，通过霍尔传感器检测输出电压，把转换后得到的电压值送入TL494的1脚。霍尔传感器采用利用磁补偿原理的HNV025A、HNV025A能够测量直流、交流以及各种波形电压，同时在电气上是高度绝缘的，既完成了电压检测，又实现了控制电路和主电路的电气隔离。它的输入额定电流是10mA，输出额定电流是25mA。TL494的2脚输入的是参考电压，由电位器调节电压值。

　　TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：

　　

　　本开关电源RT为2.5kΨ，CT为0.01μF，振荡频率为40kHz，振荡频率是开关频率的两倍，所以开关频率是20kHz.

　　

　　图4由TL494与IR2110构成的控制电路

　　输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管Q1和Q2受控于或非门。当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电压从0.5V变化到3.5V时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。死区时间通过设定TL494的4脚电压值来确定。死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%，本开关电源输出端接参考电平，最大占空比为48%。

　　在9脚、10脚输出两路PWM信号，这时的PWM信号还不足以直接驱动IGBT，所以接两片IR2110放大PWM信号，驱动4只IGBT。IR2110的10脚、12脚输入TL494输出的PWM信号，1脚、7脚输出放大了的PWM驱动信号，控制IGBT的导通与关断。Vcc通过快恢复二极管向自举电容C6充电，C6旁边并联的高频小电容C7用来吸收高频毛刺干扰电压。

　　5、结论

　　如何研制方便使用、测试准确、安全可靠的断路器调试测量仪器，以便做好高压断路器的测试维护，成为电力工作的一大主题。由脉宽调制控制芯片TL494和高压驱动器IR2110构成的高频开关电源，具有控制简单、抗干扰性强、纹波系数小、便于携带等优点，适合用于测试断路器的电气和机械性能。