蔣保濤,周莉莉

摘 要:無機電致發(fā)光是一項新興的顯示技術,由它所代表的冷光技術具有發(fā)光面積大,發(fā)光柔和均勻、重量輕、耗電量少、厚度薄且具有彎曲彈性等優(yōu)點,因此應用非常廣泛,但無機電致發(fā)光的微觀世界難以直接觀測。在此設計一款測試電源,通過測試冷光片的驅動電壓、電流等參數指標,為分析發(fā)光機理提供一定的依據。方法是利用單片機控制和功率變換技術,設計出電壓、頻率、占空比均可調的測試電源。通過測量兩種型號的發(fā)光片,證實該電源工作穩(wěn)定,性能可靠,能夠應用于無機電致發(fā)光材料的研究性測試和應用型測量。

關鍵詞:無機電致發(fā)光;降壓斬波;全橋變換;測試手段

中圖分類號:TN402,TN4022文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)20-205-04

Development of Inorganic Electro-luminescence Measuring Power Supply

JIANG Baotao,ZHOU Lili

(Wuhan Vocational College of Software Engineering,Wuhan,430205,China)

Abstract:Inorganic electro luminescence is a rising display technology.The luminescence technology has many merits which include large light area,softness and uniformity light,gently weight,little energy cost,thin thickness,flexion and flexibility.So it can be applied widely.But the microcosm of inorganic electroluminescence cannot be directly observed.A power that can do the analysis of luminescence mechanism through measuring its driving voltage and current is designed.Technique of the design includes the use of single computer control and power convert technology.Through the test of two type luminescent film,it has been proved that the power works stably and reliably,and can be used in research testing and application-oriented measurement on inorganic electro luminescence stuff.

Keywords:inorganic electro luminescence;buck chopper;full-bridge converter;measuring methods

0 引 言

無機薄膜電致發(fā)光[1]是高場發(fā)光,迄今最有效的無機電致發(fā)光薄膜材料是Ⅱ-Ⅵ族化合物,如ZnS,SrS(CaS)等[2]。到目前為止,無機電致發(fā)光冷光片已經廣泛應用于日常生活中,但它的發(fā)光機理、光電特性、發(fā)光性能尚需深入研究。為此,這里研究的重點內容是設計一款電壓、頻率、占空比均可調的驅動電源,用于測試EL冷光片,以便找到檢測檢測冷光片質量的快捷方法,并可以探討發(fā)光機理提供實驗數據。

1 電源設計綜合指標

在參考各冷光片驅動電源制作廠家的實際工作經驗參數的基礎上,給出如下EL冷光片測試電源設計指標:

(1) 輸出峰值電壓:Vp=0~200 V連續(xù)可調;

(2) 輸出峰值電流:Ip<2 A;

(3) 交變頻率:f為20 Hz~2 kHz連續(xù)可調;

(4) 輸出功率:P0<400 W;

(5) 占空比D為5%~45%連續(xù)可調。

為了提高電源整機效率,必須減小功率器件的開關損耗。作為負載,冷光片表現為容性,因此過流保護反應時間要短,保護后手工復位,以免將冷光片燒壞。

2 主電路結構

主電路包括:斬波調壓和全橋變換電路,其電路如圖1所示。

開關管元件具有許多種類[3],如雙極型晶體管Tr、快速晶閘管SCR、可關斷晶閘管GTO、場效應管Mosfet和絕緣柵雙極型晶體管IGBT等。根據電源設備輸出功率的要求,開關元件選擇500 V,21 A的Mosfet管IRF460,它的導通與關斷皆為電壓控制,開關速度快,導通電阻小(Rd=0.2 Ω),即開關與導通的損耗小。

L1為儲能電感,在斬波管關斷時向負載提供能量,同時在斬波管導通時具有平波作用,使加在全橋變換電路上的電壓為穩(wěn)定的直流電壓。經過試驗,繞制5 mH電感可以符合電路性能要求,同時也可以滿足在負載發(fā)生短路時,電流增長率較低,能夠及時進行短路保護,使各元器件不被損壞。

D6為續(xù)流二極管,在斬波管關斷時,提供電流的回路。選用HER307快速二極管,耐壓1 000 V,電流3 A,可以滿足電路性能要求。D1~D5為保護各開關管的續(xù)流二極管,選用HER107。

圖1 功率變換主電路

3 輔助電路結構

3.1 驅動電路

驅動電路的主要功能是將脈寬控制器輸出的脈沖進行功率放大,為高壓功率開關器件提供驅動信號,同時將控制電路與主電路進行隔離。由于它所提供的脈沖幅度以及波形關系到功率開關器件的飽和壓降,存儲時間、開通和關斷瞬間集電極電壓電流上升下降速率等運行特性,從而將直接影響其損耗和發(fā)熱。因此,驅動電路是決定電源優(yōu)劣的要素之一。

MOS管是電壓控制型器件,由于輸入電容Ciss的存在(較大容量的MOS管其輸入電容達到10 000 pF以上),且由于MOS管的功率容量不夠大,每個橋臂常需要多管并聯工作,因此要求驅動電源有相當大的驅動能力[4]。大容量MOS管的兩個基本要求[5]:

(1) 脈沖前沿陡峭;

(2) 觸發(fā)脈沖后沿到來時,柵源電容上的電荷迅速泄放。MOS管的開通過程,就是MOS管輸入電容充電過程,開通脈沖前沿的陡峭程度取決于Ciss的充電速度,因此要求驅動電路的輸出電流要足夠大,內阻應盡可能取小。

從電路隔離方式看,MOS管驅動器可分成兩大類[6],一類采用脈沖變壓器,另一類采用光電耦合器,兩者均可實現信號的傳輸及電路的隔離。

采用如圖2所示的光耦驅動電路。

在實際應用中發(fā)現, IRF460的輸入電容Ciss=6 000 pF比較大,驅動的下降沿不理想,有接近1 μs的拖尾臺階。驅動波形如圖3所示。

為了減小驅動拖尾,做如下改動:將VCC提高到3.1 V,同時驅動的低電位輸出端接在3.1 V穩(wěn)壓管的陽極。改動后的驅動波形如圖4所示,電路如圖5所示。

圖2 改前光耦驅動電路

圖3 改前驅動波形

圖4 改后驅動波形

圖5 改后驅動電路

3.2 緩沖電路參數確定

從Mosfet管的安全角度分析,關斷過程是高壓開關管容易損壞的時間。在主電路上存在的儲能電感、線路分布電感等雜散電感,在開關管關斷時將儲存的能量釋放,與關斷電壓一起形成漏極關斷尖峰電壓。該尖峰電壓若不加以箝位和吸收,則極易損壞開關管。

通常,在開關器件漏極與源極間反向并聯續(xù)流二極管,并加裝RCD吸收來構成緩沖環(huán)節(jié)[7]。在實際電路中,采用如圖6所示的RCD緩沖器接在Mosfet的D,S兩端。在開關管關斷瞬間,電流通過二極管D1向電容C1充電。這樣漏極電流有了分路,電流就能被較快的減小,減少了關斷時的漏極損耗。當開關管導通時,C1通過電阻R1放電。

由于斬波管開關頻率為20 kHz,開關速度較快,所以這里討論斬波管的緩沖電路開關管上的吸收電容和吸收電阻的算法。

在關斷時,根據經驗公式(能量相等原則)[8]:

(ICUCE/2)(tru+tfi)=(1/2)CU2CE

得:

C=[IC(tru+tfi]/UCE

在選擇RC時,使電容在每次導通時間ton中,可以完全放電。一般取3倍時間參數可放完電,則:3RC=ton,R=ton3C。

圖6 開關管緩沖電路

所取電阻值受到放電電流的限制,有:

Idis=UCE/R

計算電阻的功耗:

PR=12CU2CEF

通過以上公式計算,結合實驗調整各參數,最終確定電容C取0.01 μF,耐壓450 V;電阻取500 Ω,功率為3 W。試驗結果表明,電源帶負載運行時,開關管溫升小,緩沖電路的電容、電阻的溫升也在正常范圍內。

3.3 峰值電壓采樣電路

由于冷光片發(fā)光的亮度很大程度決定于所加的峰值電壓,故這里采用峰值電壓顯示。由于采用LED顯示,采樣電壓值為0～5 V時,對應顯示的范圍為0～200 V。主電路輸出為交流負載電壓,所以采樣之前要進行整流。實際工作電路如圖7所示。

3.4 過流保護電路

過流保護[8]就是當電流傳感器檢測到電流值超過給定值時,保護電路輸出過流信號,封鎖驅動信號,使斬波管驅動電壓為0,關斷斬波管,切斷過流故障,這里主要采用峰值電流保護。采用電流互感器作為取樣單元,根據冷光片的驅動電源的特點,采用峰值電流取樣。峰值電流過流保護電路如圖8所示。

圖7 峰值電壓采樣電路

圖8 峰值過流保護電路

3.5 輔助電源設計

輔助電源提供各開關管驅動電路和控制板的電源。對于全橋調頻管來說,其對角線的兩個開關管必須同時導通或關斷,所以對其驅動電路的同步性要求較高,因此它們的供電電源的質量較好。這里用兩路隔離輸出的開關電源為其供電,電路如圖9所示。另通過一個小變壓器整流、濾波、穩(wěn)壓后為控制板供電。由于斬波管的電源不能與以上兩種電源共地,所以必須再用一個小變壓器,整流濾波后為斬波驅動電路供電。

圖9 調頻管驅動供電電路

4 調試過程中遇到的問題及解決辦法

在實際調試過程中遇到許多問題,這里將幾個典型的問題提出來討論。

(1) 驅動板中驅動信號諧波成分較大,其原因是多方面造成的,如開關管的快速開通和關斷產生dV/dt噪聲,強弱電間的電磁干擾,兩路驅動共地等。在這里將主電路的走線和驅動板中的走線按垂直方向排列。這樣,強電的磁力線能穿過弱電回路的幾率就小了,在弱電回路中產生的感生干擾電壓也就小。

(2) 由于冷光片作為負載,在做循環(huán)頻率調節(jié)時,電源加到負載上的電壓會隨頻率的變化而變化,這樣就不能測試在峰值電壓穩(wěn)定的情況下頻率與亮度的關系。所以,要求不同的頻率下要能夠將負載電壓穩(wěn)住。這里加裝PI調節(jié)器。設計思路是:由PIC控制芯片產生0～5 V的可調電壓。利用TL494芯片[9]的反饋控制端,接成PI調節(jié)控制電路[10]。其電路如圖10所示。

圖10 PI調節(jié)器

Vf為反饋輸入,它是從主電路分壓采樣得到的。Vg為PIC芯片設定電壓值,PIC芯片輸出PWM信號,通過光耦隔離后輸入積分電路來調整TL494的PWM輸出的脈寬。通過調試各電阻、電容參數,使PWM脈寬調整速度合適。最終獲得穩(wěn)定的輸出電壓。

5 結 語

采用武漢東方冷光有限公司生產的冷光片和深圳詳光電子有限公司生產的冷光片為測試對象。試驗證明,所設計的測試電源工作穩(wěn)定,性能可靠。能夠應用于無機電致發(fā)光材料的研究型測試和應用型測量。

參考文獻

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