恒流二极管分压的悬浮脉冲单臂桥驱动器研制

胡正国，屈子琦

（湖南工业大学 电气与信息工程学院， 湖南 株洲 412007）

恒流二极管分压的悬浮脉冲单臂桥驱动器研制

胡正国，屈子琦

（湖南工业大学 电气与信息工程学院， 湖南 株洲 412007）

设计了一种恒流二极管分压的悬浮脉冲单臂桥驱动器。先介绍了悬浮脉冲驱动模块电路结构和工作原理，以及恒流模块中恒流二极管的特性、恒流二极管串联均压计算方法；再利用该原理设计了验证电路，并应用在半桥式拓扑结构的开关电源中。验证电路的测试结果表明：恒流二极管分压的悬浮脉冲单臂桥驱动器的性能完全满足设计要求，值得推广。

恒流二极管；单臂桥；悬浮脉冲；驱动器

0　引言

随着电子技术的快速发展以及人们对悬浮脉冲单臂桥驱动器的需求不断增大，对其尺寸、效率、可靠性、寿命及舒适性方面的要求越来越高。悬浮脉冲单臂桥驱动器多用于低压之间的转换，且该技术比较成熟。由于受器件特性和电路的耐压性能较差的限制，悬浮脉冲单臂桥驱动器直接应用于高压电路中，会存在结构复杂、制作成本高、通用性差的缺陷。

恒流二极管（current regulative diode，CRD）是电子设备和装置中的一种常用元件，属于两端结型场效应的恒流器件，能在很宽的电压范围内输出恒定电流，具有很高的动态阻抗［1-2］。由恒流二极管和均压电阻组成的恒流模块具有恒流性能好、价格较低、使用简便的优点。

有鉴于此，本文设计了一种由悬浮脉冲驱动模块和恒流模块组成的恒流二极管分压的悬浮脉冲单臂桥驱动器。该设计获得了国家专利［3-4］。

1　电路原理介绍

恒流二极管分压的悬浮脉冲单臂桥驱动器的主电路原理图如图1所示。

图1　主电路原理图Fig. 1　The main circuit principle diagram

恒流二极管分压的悬浮脉冲单臂桥驱动器主要由2个悬浮脉冲驱动模块（悬浮脉冲驱动模块H与悬浮脉冲驱动模块L）和N个恒流模块（恒流模块1，恒流模块2，...，恒流模块N）依次串联组成，其首端和尾端分别接直流电源的正端HV+和直流电源负端HV-。由于悬浮脉冲驱动模块有稳压范围，每个恒流模块都有工作电压范围，故恒流模块的数量也会有一个动态范围，即悬浮脉冲驱动模块和N个恒流模块的累计电压差不能超过直流电源正端HV+与直流电源负端HV-的电压差［5-8］。

1.1悬浮脉冲驱动模块

悬浮脉冲驱动模块有悬浮脉冲驱动模块H与悬浮脉冲驱动模块L，且它们的电路结构相同。本文仅以悬浮脉冲驱动模块H为例加以说明，其电路结构如图2所示。悬浮脉冲驱动模块H外部端口包含电源输入端VE_H、脉冲输入端PULSEIN_H、脉冲输出端PULSEOUT_H和DGND_H工作地端，内部包含一个稳压电路和一个与门电路。

图2　悬浮脉冲驱动模块H电路结构图Fig. 2　The circuit diagram of suspension pulse driver module H

与门电路的逻辑关系为

式中：A和B分别为逻辑门输入端A， B的值；C为输出端C的值。稳压电路与与门电路的关系如表1所示，与门电路中输入端A对应稳压电路的输出端VOUT，输入端B对应脉冲输入端PULSEIN_H，输出端C对应脉冲输出端PULSEOUT_H。

表1　与门电路的真值表Table 1　The truth value of gate circuit

由表1可以看出，当与门电路输入端A为1时，即整个驱动器处于通电状态。由于逻辑门输入端A与逻辑门输入端B为与的逻辑关系，输出端C的输出状态取决于逻辑门输入端B［9］。具体表现如下。

1）当输入端A为1，输入端B为1时，输出端C为1。

2）当输入端A为1，输入端B为0时，输出端C的输出状态为0。

1.2恒流模块

恒流二极管是一种硅材料制作的基础电子器件，相当于一个恒流源或最大峰值电流的限制电路，即当出现电源电压供电不稳定或是负载电阻变化很大的情况时，其都能确保供电电流稳定。恒流二极管是实现各种电子设备的恒流源、稳压源及保护电路的重要器件之一。

每个恒流模块的电路结构均相同。以恒流模块i为例，其电路结构如图3所示。恒流模块i的外部端口包含输入端IIN_i和输出端IOUT_i，内部由恒流二极管DH_i和均压电阻RH_i并联组成。

图3　恒流模块i电路结构图Fig. 3　Constant current module i

本设计采用2H1002A恒流二极管，其典型V-I特性和温度特性如图4所示。

图4　恒流二极管的典型特性图Fig. 4　Typical characteristics of constant current diode

由图4可知：1）恒流二极管两端所加电压在10～100 V之间时，其恒定输出22 mA左右电流；2）当环境温度发生变化时，恒流二极管的恒定电流也会随之发生变化，但2H1002A温漂小，热稳定性较好，恒流二极管是非常理想的恒流元件。

2　均压计算

恒流二极管的工作电压范围是一定的，若超过其工作电压范围，就需要串联两个或两个以上的恒流二极管。每个恒流二极管具有一定的离散性，故本文在此基础上使用均压电阻。在工程应用中，均压电阻的计算分为2种情况，恒流二极管未导通状态和恒流二极管导通状态［10-16］。

1）当恒流二极管未导通时，在两端施加正向电压，则串联的多个恒流二极管将共同承担电压，并进行电压的分配。漏电阻越大，承受的电压越大［17］。为解决恒流二极管静态时的均压问题，需在其两端并联远小于漏电阻的均压电阻RH_i，即

式中：URED为恒流二极管导通电压；IDER为静态重复平均电流，即

其中IDR近似为漏电流峰值。

2）恒流二极管导通时，因各自串联的恒流二极管导通阻抗不同，进而造成其导通压降不同。压降大的恒流二极管输出电压有可能超出其恒流输出的电压工作极限范围，导致电压分配不均匀。一般，在恒流二极管两端并联由均压电阻RH_i构成的均压电路来实现动态均压。均压电阻值一般取10～30 k，本设计取18 k。

3　实例分析

3.1实例电路介绍

一种典型的实例示意图如图5所示。

图5　典型的实例示意图Fig. 5　Schematic diagram of a typical example

悬浮脉冲驱动模块H与悬浮脉冲驱动模块L的电路结构和参数均相同，在此仅以悬浮脉冲驱动模块H为例加以说明。悬浮脉冲驱动模块H中的稳压电路由三端稳压器TH_1、分压电阻RH_1、偏置电阻RH_2和偏置电阻RH_3组成。其中，三端稳压器TH_1的型号为TL431，RH_1阻值为0.3 k，RH_2阻值为38 k，RH_3阻值为10k。与门逻辑芯片ICH_1的型号为CD4081。

恒流模块1和恒流模块2中的恒流二极管分别为D1和D2，其型号均为2H1002A；均压电阻分别为R1和R2，阻值均为18 k。

3.2实验结果与分析

根据电路的工作原理和参数设计值，本文设计了实际电路。测试时，输入交流电压为1 000 V，输出接额定负载后，再上电。通过固纬GDS-2104示波器的CH1， CH2通道，得到恒流二极管分压的悬浮脉冲单臂桥驱动器输出端的电压波形［18］，如图6所示。通道CH1显示的是上桥臂波形，通道CH2显示的是下桥臂波形。从波形图可以看出，上桥臂工作的时候，下桥臂关断；下桥臂工作的时候，上桥臂关断；且有一段时间为上桥臂和下桥臂都关断，为死区时间。由图可知，上桥臂和下桥臂的输出电压为15 V左右，基本达到预期效果。

通过对样机进行实测，结果表明该变换器符合软开关的要求，也能够稳定输出电压，达到了预期效果。

图6　电路输出电压波形Fig. 6　Circuit output voltage waveform

4　结语

本文设计了一种恒流二极管分压的悬浮脉冲单臂桥驱动器。该单臂桥驱动器设计简单、结构合理、构建方便、通用性好，不但能克服现有的单臂桥脉冲驱动器高压适应性的不足，而且能有效地实现隔离和悬浮的电平转换。在实际运用中，该驱动器运行稳定可靠，具有良好的动态特性、较强的抗干扰能力，值得推广和使用。

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（责任编辑：邓彬）

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

胡正国（1989-），男，江西上饶人，湖南工业大学硕士生，主要研究方向为现代电力电子技术及系统，E-mail：313071533@qq.com