无机电致发光器件冷光片测试电源的研制

蒋保涛,周莉莉

摘 要:无机电致发光是一项新兴的显示技术,由它所代表的冷光技术具有发光面积大,发光柔和均匀、重量轻、耗电量少、厚度薄且具有弯曲弹性等优点,因此应用非常广泛,但无机电致发光的微观世界难以直接观测。在此设计一款测试电源,通过测试冷光片的驱动电压、电流等参数指标,为分析发光机理提供一定的依据。方法是利用单片机控制和功率变换技术,设计出电压、频率、占空比均可调的测试电源。通过测量两种型号的发光片,证实该电源工作稳定,性能可靠,能够应用于无机电致发光材料的研究性测试和应用型测量。

关键词:无机电致发光;降压斩波;全桥变换;测试手段

中图分类号:TN402,TN4022文献标识码:A

文章编号: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

无机薄膜电致发光[1]是高场发光,迄今最有效的无机电致发光薄膜材料是Ⅱ-Ⅵ族化合物,如ZnS,SrS(CaS)等[2]。到目前为止,无机电致发光冷光片已经广泛应用于日常生活中,但它的发光机理、光电特性、发光性能尚需深入研究。为此,这里研究的重点内容是设计一款电压、频率、占空比均可调的驱动电源,用于测试EL冷光片,以便找到检测检测冷光片质量的快捷方法,并可以探讨发光机理提供实验数据。

1 电源设计综合指标

在参考各冷光片驱动电源制作厂家的实际工作经验参数的基础上,给出如下EL冷光片测试电源设计指标:

(1) 输出峰值电压:Vp=0~200 V连续可调;

(2) 输出峰值电流:Ip<2 A;

(3) 交变频率:f为20 Hz~2 kHz连续可调;

(4) 输出功率:P0<400 W;

(5) 占空比D为5%~45%连续可调。

为了提高电源整机效率,必须减小功率器件的开关损耗。作为负载,冷光片表现为容性,因此过流保护反应时间要短,保护后手工复位,以免将冷光片烧坏。

2 主电路结构

主电路包括:斩波调压和全桥变换电路,其电路如图1所示。

开关管元件具有许多种类[3],如双极型晶体管Tr、快速晶闸管SCR、可关断晶闸管GTO、场效应管Mosfet和绝缘栅双极型晶体管IGBT等。根据电源设备输出功率的要求,开关元件选择500 V,21 A的Mosfet管IRF460,它的导通与关断皆为电压控制,开关速度快,导通电阻小(Rd=0.2 Ω),即开关与导通的损耗小。

L1为储能电感,在斩波管关断时向负载提供能量,同时在斩波管导通时具有平波作用,使加在全桥变换电路上的电压为稳定的直流电压。经过试验,绕制5 mH电感可以符合电路性能要求,同时也可以满足在负载发生短路时,电流增长率较低,能够及时进行短路保护,使各元器件不被损坏。

D6为续流二极管,在斩波管关断时,提供电流的回路。选用HER307快速二极管,耐压1 000 V,电流3 A,可以满足电路性能要求。D1~D5为保护各开关管的续流二极管,选用HER107。

图1 功率变换主电路

3 辅助电路结构

3.1 驱动电路

驱动电路的主要功能是将脉宽控制器输出的脉冲进行功率放大,为高压功率开关器件提供驱动信号,同时将控制电路与主电路进行隔离。由于它所提供的脉冲幅度以及波形关系到功率开关器件的饱和压降,存储时间、开通和关断瞬间集电极电压电流上升下降速率等运行特性,从而将直接影响其损耗和发热。因此,驱动电路是决定电源优劣的要素之一。

MOS管是电压控制型器件,由于输入电容Ciss的存在(较大容量的MOS管其输入电容达到10 000 pF以上),且由于MOS管的功率容量不够大,每个桥臂常需要多管并联工作,因此要求驱动电源有相当大的驱动能力[4]。大容量MOS管的两个基本要求[5]:

(1) 脉冲前沿陡峭;

(2) 触发脉冲后沿到来时,栅源电容上的电荷迅速泄放。MOS管的开通过程,就是MOS管输入电容充电过程,开通脉冲前沿的陡峭程度取决于Ciss的充电速度,因此要求驱动电路的输出电流要足够大,内阻应尽可能取小。

从电路隔离方式看,MOS管驱动器可分成两大类[6],一类采用脉冲变压器,另一类采用光电耦合器,两者均可实现信号的传输及电路的隔离。

采用如图2所示的光耦驱动电路。

在实际应用中发现, IRF460的输入电容Ciss=6 000 pF比较大,驱动的下降沿不理想,有接近1 μs的拖尾台阶。驱动波形如图3所示。

为了减小驱动拖尾,做如下改动:将VCC提高到3.1 V,同时驱动的低电位输出端接在3.1 V稳压管的阳极。改动后的驱动波形如图4所示,电路如图5所示。

图2 改前光耦驱动电路

图3 改前驱动波形

图4 改后驱动波形

图5 改后驱动电路

3.2 缓冲电路参数确定

从Mosfet管的安全角度分析,关断过程是高压开关管容易损坏的时间。在主电路上存在的储能电感、线路分布电感等杂散电感,在开关管关断时将储存的能量释放,与关断电压一起形成漏极关断尖峰电压。该尖峰电压若不加以箝位和吸收,则极易损坏开关管。

通常,在开关器件漏极与源极间反向并联续流二极管,并加装RCD吸收来构成缓冲环节[7]。在实际电路中,采用如图6所示的RCD缓冲器接在Mosfet的D,S两端。在开关管关断瞬间,电流通过二极管D1向电容C1充电。这样漏极电流有了分路,电流就能被较快的减小,减少了关断时的漏极损耗。当开关管导通时,C1通过电阻R1放电。

由于斩波管开关频率为20 kHz,开关速度较快,所以这里讨论斩波管的缓冲电路开关管上的吸收电容和吸收电阻的算法。

在关断时,根据经验公式(能量相等原则)[8]:

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

得:

C=[IC(tru+tfi]/UCE

在选择RC时,使电容在每次导通时间ton中,可以完全放电。一般取3倍时间参数可放完电,则:3RC=ton,R=ton3C。

图6 开关管缓冲电路

所取电阻值受到放电电流的限制,有:

Idis=UCE/R

计算电阻的功耗:

PR=12CU2CEF

通过以上公式计算,结合实验调整各参数,最终确定电容C取0.01 μF,耐压450 V;电阻取500 Ω,功率为3 W。试验结果表明,电源带负载运行时,开关管温升小,缓冲电路的电容、电阻的温升也在正常范围内。

3.3 峰值电压采样电路

由于冷光片发光的亮度很大程度决定于所加的峰值电压,故这里采用峰值电压显示。由于采用LED显示,采样电压值为0～5 V时,对应显示的范围为0～200 V。主电路输出为交流负载电压,所以采样之前要进行整流。实际工作电路如图7所示。

3.4 过流保护电路

过流保护[8]就是当电流传感器检测到电流值超过给定值时,保护电路输出过流信号,封锁驱动信号,使斩波管驱动电压为0,关断斩波管,切断过流故障,这里主要采用峰值电流保护。采用电流互感器作为取样单元,根据冷光片的驱动电源的特点,采用峰值电流取样。峰值电流过流保护电路如图8所示。

图7 峰值电压采样电路

图8 峰值过流保护电路

3.5 辅助电源设计

辅助电源提供各开关管驱动电路和控制板的电源。对于全桥调频管来说,其对角线的两个开关管必须同时导通或关断,所以对其驱动电路的同步性要求较高,因此它们的供电电源的质量较好。这里用两路隔离输出的开关电源为其供电,电路如图9所示。另通过一个小变压器整流、滤波、稳压后为控制板供电。由于斩波管的电源不能与以上两种电源共地,所以必须再用一个小变压器,整流滤波后为斩波驱动电路供电。

图9 调频管驱动供电电路

4 调试过程中遇到的问题及解决办法

在实际调试过程中遇到许多问题,这里将几个典型的问题提出来讨论。

(1) 驱动板中驱动信号谐波成分较大,其原因是多方面造成的,如开关管的快速开通和关断产生dV/dt噪声,强弱电间的电磁干扰,两路驱动共地等。在这里将主电路的走线和驱动板中的走线按垂直方向排列。这样,强电的磁力线能穿过弱电回路的几率就小了,在弱电回路中产生的感生干扰电压也就小。

(2) 由于冷光片作为负载,在做循环频率调节时,电源加到负载上的电压会随频率的变化而变化,这样就不能测试在峰值电压稳定的情况下频率与亮度的关系。所以,要求不同的频率下要能够将负载电压稳住。这里加装PI调节器。设计思路是:由PIC控制芯片产生0～5 V的可调电压。利用TL494芯片[9]的反馈控制端,接成PI调节控制电路[10]。其电路如图10所示。

图10 PI调节器

Vf为反馈输入,它是从主电路分压采样得到的。Vg为PIC芯片设定电压值,PIC芯片输出PWM信号,通过光耦隔离后输入积分电路来调整TL494的PWM输出的脉宽。通过调试各电阻、电容参数,使PWM脉宽调整速度合适。最终获得稳定的输出电压。

5 结 语

采用武汉东方冷光有限公司生产的冷光片和深圳详光电子有限公司生产的冷光片为测试对象。试验证明,所设计的测试电源工作稳定,性能可靠。能够应用于无机电致发光材料的研究型测试和应用型测量。

参考文献

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