如何設(shè)計(jì)滿足超寬超高壓輸入電源的磁隔離驅(qū)動(dòng)電路—金升陽

背景介紹

在開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，主功率有多個(gè)開關(guān)管時(shí)其驅(qū)動(dòng)必須采用隔離設(shè)計(jì)，比如多管串聯(lián)反激、雙管正激、LLC等多開關(guān)管的拓?fù)渲?，開關(guān)管驅(qū)動(dòng)均需要做隔離處理。當(dāng)前市面上已經(jīng)有較成熟的自舉驅(qū)動(dòng)芯片來滿足設(shè)計(jì)需求，但是其驅(qū)動(dòng)芯片的耐壓等級(jí)受限，最高電壓只能到600V左右。在更高輸入電壓等級(jí)的應(yīng)用場(chǎng)合中，比如光伏電源、SVG輔助電源等輸入電壓達(dá)到1500V甚至更高的電源產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片的方案就不再適用，只能選擇磁隔離變壓器驅(qū)動(dòng)電路。因此磁隔離驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)極其重要。

常用的磁隔離驅(qū)動(dòng)方案

常用的磁隔離驅(qū)動(dòng)電路如下圖1所示。

圖1 常用的磁隔離驅(qū)動(dòng)電路

其中，電容C1為輸入端直流隔離電容，C3為開關(guān)管QM等效的輸入電容。電容電壓的參考方向如圖1所示，T1為磁隔離驅(qū)動(dòng)變壓器。S1是脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動(dòng)器（PWM Driver）的輸出信號(hào)波形，S2是變壓器輸入端的波形，S2是該磁隔離驅(qū)動(dòng)器的輸出波形。圖1所示的電路工作波形如圖2所示。

圖2 磁隔離驅(qū)動(dòng)波形示意圖

假設(shè)穩(wěn)態(tài)時(shí)該驅(qū)動(dòng)器的輸出信號(hào)S1的周期為T，占空比為D，幅值為VS1，同時(shí)假設(shè)變壓器T1的輸入輸出匝比為1，則穩(wěn)態(tài)時(shí)輸入端直流隔離電容C1上的電壓為D.VS1。在S1為高電平時(shí)，S3也為高電平，其幅值為(VS1-VC1)，即(1-D).VS1。而在S1為低電平時(shí)，S3為負(fù)電平，其幅值為(-VC1)，即D.VS1。

具體的推導(dǎo)過程如下：

由此可見，這種隔離驅(qū)動(dòng)電路線路簡(jiǎn)單，而且被驅(qū)動(dòng)的MOS管有負(fù)向的驅(qū)動(dòng)電壓，抗干擾能力強(qiáng)。但其有待改進(jìn)之處在于，在占空比D較大時(shí)，S3的高電平幅值(1-D).VS1就較小，可能導(dǎo)致QM驅(qū)動(dòng)電壓不足。這樣，這種驅(qū)動(dòng)器電路不適合應(yīng)用在占空比變化較大的場(chǎng)合，即輸入比范圍大的應(yīng)用條件下，圖1所示的驅(qū)動(dòng)電路將不再適用。

雙隔直磁隔離驅(qū)動(dòng)電路

為了解決上述難點(diǎn)問題，需要在圖1所示的磁隔離驅(qū)動(dòng)電路次級(jí)邊也添加隔直電容，如圖3所示。

圖3 雙隔直磁隔離驅(qū)動(dòng)電路

相對(duì)圖1的磁隔離驅(qū)動(dòng)電路而言，添加了次級(jí)的直流隔直電容C2和開關(guān)二極管DR。穩(wěn)態(tài)時(shí)輸入端隔直電容C1上的電壓VC1=D.VS1，輸出端隔直電容C2上的VC2=D.VS1。其電壓參考方向如圖3所示。圖3電路的工作波形如圖4所示。可知，穩(wěn)態(tài)后QM的電壓V3不隨占空比變化而改變，適合更寬范圍輸入條件的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。

圖4 雙隔直磁隔離驅(qū)動(dòng)電路波形示意圖

但是圖3所示的電路在某些特殊狀態(tài)下，比如輸入端突然斷電或者負(fù)載突變過程中脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動(dòng)器的輸出信號(hào)會(huì)突然消失，即驅(qū)動(dòng)信號(hào)S1將為0。隨后變壓器T1在輸入端隔直電容電壓（-DVS1）作用下逐漸進(jìn)入飽和，同時(shí)C2上的電壓仍為DVS1，T1上的輸入輸出電壓幅值從DV1逐漸減小，此時(shí)QM上的電壓將從0開始逐漸增加，直到與C2上的電壓相等。其波形示意圖如圖5中紅色框所示。

圖5 雙隔直磁隔離驅(qū)動(dòng)電路誤導(dǎo)通波形示意圖

由此可見，在特殊條件下QM會(huì)出現(xiàn)失控的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，該信號(hào)造成開關(guān)管誤導(dǎo)通，引發(fā)主功率變壓器飽和，導(dǎo)致產(chǎn)品炸機(jī)。

我司優(yōu)化后的磁隔離驅(qū)動(dòng)方案

為了解決圖3中雙隔直磁隔離驅(qū)動(dòng)電路的誤導(dǎo)通問題，我司針對(duì)次級(jí)隔直電容C2做了特殊放電電路。如圖6所示，其中添加了原邊檢測(cè)電路和次級(jí)隔直電容放電電路，該電路為我司自主發(fā)明專利電路。通過高速光耦做信號(hào)隔離，有效解決主功率開關(guān)管誤導(dǎo)通的問題，改進(jìn)后的驅(qū)動(dòng)波形如圖7中2通道PWM波形所示，可以看出在驅(qū)動(dòng)異常關(guān)閉狀態(tài)下，C2上的電壓迅速放電完成，開關(guān)管不會(huì)出現(xiàn)異常開通狀態(tài)。為我司超高超寬壓輸入系列產(chǎn)品提供高可靠的驅(qū)動(dòng)，提升產(chǎn)品綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

圖6 改進(jìn)后的雙隔直磁隔離驅(qū)動(dòng)電路

圖7 改進(jìn)后的雙隔直磁隔離驅(qū)動(dòng)電路波形圖

總結(jié)

采用變壓器做的磁隔離驅(qū)動(dòng)電路，如果只有原邊有隔直電容時(shí)，在占空比較大的條件下次級(jí)輸出電壓會(huì)降低，無法滿足開關(guān)管驅(qū)動(dòng)的要求。當(dāng)次級(jí)添加隔直電容后可以解決大占空比的問題，但是在異常條件下次級(jí)隔直電容放電會(huì)導(dǎo)致開關(guān)管異常導(dǎo)通，進(jìn)而出現(xiàn)原邊飽和導(dǎo)致產(chǎn)品炸機(jī)。我司針對(duì)上述問題重點(diǎn)突破，添加次級(jí)隔直電容放電電路，使得磁隔離驅(qū)動(dòng)電路不受占空比影響的同時(shí)完美解決異常條件下開關(guān)管異常導(dǎo)通的現(xiàn)象。該放電電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠，大幅提升產(chǎn)品可靠性。