一種緊湊型全橋DC-DC隔離電源設計

摘要 針對半橋IGBT集成驅(qū)動板上隔離電源及驅(qū)動板負載的特點，設計了一種兩組磁芯共用一組高頻全橋開關的DC-DC隔離電源。簡潔的電路產(chǎn)生4路全橋驅(qū)動脈沖信號，無需隔離，實現(xiàn)了板上電源的緊湊設計，提高了功率密度。對關鍵信號的產(chǎn)生進行了仿真實驗，結果表明，該電源電路簡潔、高效、可靠，與IGBT半橋集成驅(qū)動板達到了良好的結合。
關鍵詞 半橋驅(qū)動；IGBT；DC-DC；緊湊設計

新型電力電子器件IGBT作為功率變換器的核心器件，其驅(qū)動和保護電路對變換器的可靠運行至關重要。集成驅(qū)動是一個具有完整功能的獨立驅(qū)動板，具有安裝方便、驅(qū)動高效、保護可靠等優(yōu)點，是目前大、中功率IGBT驅(qū)動和保護的最佳方式。集成驅(qū)動一般包括板上DC-DC隔離電源、PWM信號隔離、功率放大、故障保護等4個功能電路，各功能電路之間互相配合，完成IGBT的驅(qū)動及保護。輸入電源為板上原邊各功能電路提供電源，兩路DC-DC隔離電源輸出分別驅(qū)動上、下半橋開關管，同時為IGBT側故障檢測和保護電路提供電源，因此集成驅(qū)動板上電源是所有電路工作的前提和基礎。
文中的半橋IGBT集成驅(qū)動板需要兩組隔離的正負電壓輸出，作為IGBT的驅(qū)動及保護電路電源。由IGBT的驅(qū)動特點可知，其負載特性類似于容性負載，要達到可靠、快速的開通或關斷，就要求電源具有很好拉／灌電流能力，即良好的動態(tài)特性。半橋IGBT由上、下兩路開關管組成，型號相同，導通、關斷的驅(qū)動電壓、電流特性一致，作為雙路隔離DC-DC電源的負載，其負載特性是穩(wěn)定的。因此可以設計兩路隔離電源，按照所要驅(qū)動的最大負載設計，不需要進行反饋控制。實際設計時必須依據(jù)選用的IGBT開關管參數(shù)和工作頻率，核算驅(qū)動板電源功率是否滿足，若不滿足，則需重新選用開關管。

1 IGBT半橋集成驅(qū)動板電源設計
1．1 IGBT半橋集成驅(qū)動板電源特點
電力電子變換拓撲中，以半橋IGBT為基本單元進行的拓撲設計最為廣泛，相應地對其有效驅(qū)動和可靠保護由半橋IGBT集成驅(qū)動板實現(xiàn)。半橋IGBT集成驅(qū)動板自身必須具備兩路DC-DC隔離電源，該電源要求占用PCB面積小、體積緊湊、可靠性高，并且兩組電源副邊完全隔離。在大功率半橋IGBT集成驅(qū)動單元的項目中，針對驅(qū)動單元需要高效、可靠的隔離電源，設計了一種電源變壓器原邊控制拓撲，即兩組隔離電源變壓器原邊共用一組全橋控制的思路，提高了電源功率密度和效率，節(jié)省了功率開關數(shù)量。全橋開關管巧妙搭配，無需隔離驅(qū)動，減少了占用集成驅(qū)動板上的PCB面積。
由于上下半橋的兩個單元IGBT性能參數(shù)一致、同體封裝，對半橋IGBT集成驅(qū)動板上兩路驅(qū)動表現(xiàn)出的負載特性完全一致，因此在IGBT半橋集成驅(qū)動板的電源設計中，兩組隔離的DC-DC電源原邊完全可以共用一組控制電路。IGBT半橋集成驅(qū)動板一般鑲嵌在IGBT功率模塊上，它對驅(qū)動板要求有兩個：第一是半橋集成驅(qū)動板對PCB面積、體積要求很高，要求盡可能小的PCB面積和體積；第二因為驅(qū)動IGBT需要的功率較大，對板上電源的功率密度、效率要求也較高。
1．2 原邊共用全橋控制的DC-DC電源設計
設計采用全橋電路控制DC-DC電源變壓器，兩個變壓器原邊共用一個全橋開關。正常模式下兩個全橋變換拓撲需要兩組全橋開關，同時全橋開關的脈沖驅(qū)動電路也為兩組共8路PWM脈沖。采用共用全橋拓撲節(jié)省了控制電路和全橋開關，簡化了DC-DC隔離電源電路。由于該電源是給半橋IGBT驅(qū)動電路供電，負載穩(wěn)定且可計算，因此全橋DC-DC電源采用開環(huán)控制，滿足最大功率需求即可。電路原理如圖1所示，該電源由4部分組成：4路PWM脈沖產(chǎn)生電路、全橋驅(qū)動開關、電源變壓器及其副邊整流濾波電路。DC-DC電源輸入為單+15 V電源，輸出為兩組隔離的+15 V和-10 V雙電源，采用負電源是為可靠地關斷IGBT。

共用全橋開關的兩組DC-DC隔離電源工作原理為：對角的開關管同時開通，另外一組對角已經(jīng)關斷，此時兩組磁芯原邊同時正反相激磁，副邊耦合，再進行全波整流濾波后得到穩(wěn)定的電源。設計全橋開關工作頻率為360 kHz，同時采用全波整流，因此副邊不需要很大的濾波、儲能元件，有利于實現(xiàn)DC-DC電源小型化。