В регулируемом источнике высокого напряжения используется оптрон

Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2014

Sajjad Haidar

EDN

Источников питания с постоянным напряжением, регулируемым в диапазоне от 0 В до 30 В или 60 В, на рынке достаточно много, но источники с напряжением свыше 60 В встречаются нечасто, и приобрести их трудно. В статье предлагается вариант самостоятельного решения этой проблемы.

Промышленность предлагает огромный выбор импульсных источников питания с фиксированным выходным напряжением. Соединив несколько таких источников последовательно, можно получить более высокое фиксированное напряжение. Чтобы иметь возможность регулировки выходного напряжения импульсного или традиционного трансформаторного источника питания, потребуется использовать линейный регулятор или понижающий импульсный стабилизатор. В качестве коммутирующего элемента понижающего преобразователя могут использоваться MOSFET или IGBT.

Как правило, в схемах коммутации напряжения верхнего плеча используются специализированные микросхемы в бутстрепной конфигурации или импульсные трансформаторы. Оптроны, способные напрямую управлять затворами MOSFET, можно пересчитать по пальцам. Из-за того, что отдавать ток, достаточный для быстрого заряда емкости затвора, оптроны не способны, их используют в основном для управления низкочастотными MOSFET ключами.

В предлагаемой схеме (Рисунок 1) была предпринята попытка использовать оптоизолятор в импульсном преобразователе. Показанный на схеме оптоизолятор (VOM1271) отличается тем, что в него встроена цепь ускоренного выключения. При подключенной к IC2 емкости затвора 200 пФ времена включения и выключения равны 53 мкс и 24 мкс, соответственно. В качестве контролера ШИМ была выбрана микросхема TL494 (IC1), изготавливаемая Texas Instruments.

Рисунок 1.	Принципиальная схема высоковольтного понижающего преобразователя напряжения.

Критериями выбора ключевого MOSFET AOT7S60 были пороговое напряжение затвор-исток (V_GS(th)), полный заряд затора, напряжение сток-исток и ток стока. Поскольку наибольшее выходное напряжение VOM1271 равно примерно 8.4 В, напряжение V_GS(th) транзистора должно быть меньше, причем, с достаточным запасом. У транзистора AOT7S60 V_GS(th) = 3.9 В, и при напряжении затвора 8.4 В он будет полностью открыт. Ток, который может отдавать оптоизолятор, очень невелик, его типичное значение составляет 45 мкА. Чтобы при таком токе обеспечить достаточную скорость переключения и не допустить больших коммутационных потерь, заряд затвора MOSFET должен быть низким. У транзистора AOT7S60 он равен 8.2 нКл.

Преобразователь был испытан с входным напряжением, полученным от понижающего сетевого трансформатора с выпрямителем и фильтром. При изменении R1 выходное напряжение плавно регулировалось от 5 В до 70 В.

На Рисунке 2 представлена форма напряжения на выходе микросхемы IC1 и на затворе транзистора Q1 при входном напряжении 70 В и сопротивлении нагрузки 230 Ом.

Рисунок 2.	Форма напряжения на выходе микросхемы IC1 и на затворе транзистора при входном напряжении 70 В и сопротивлении нагрузки 230 Ом.

Как можно увидеть, выключение происходит достаточно быстро, а вот для включения требуется порядка 80 мкс. Однако при рабочей частоте 2 кГц это не приведет к существенным потерям переключения, особенно при большой нагрузке, когда коэффициент заполнения ШИМ велик.

Хотя величина индуктивности L1 меньше расчетной для заданного диапазона выходных напряжений, пульсации напряжения не выходили за пределы 80 – 120 мВ пик-пик в диапазоне сопротивлений нагрузки от 80 Ом до 230 Ом. При входном напряжении 70 В и нагрузке 230 Ом пульсации на выходе не превышали 80 мВ пик-пик. При тех же условиях нестабильность выходного напряжения по входу составляла 0.75%. КПД источника меняется в зависимости от режима работы, но в целом остается достаточно высоким. Так, его значение, измеренное при выходном напряжении 70 В и токе 0.3 А, равнялось 92%. С уменьшением тока нагрузки КПД падает.