基于高效/可靠的緊湊型DC-DC隔離電源電路設(shè)計(jì)

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(dòng)和保護(hù)電路對變換器的可靠運(yùn)行至關(guān)重要。集成驅(qū)動(dòng)是一個(gè)具有完整功能的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)板，具有安裝方便、驅(qū)動(dòng)高效、保護(hù)可靠等優(yōu)點(diǎn)，是目前大、中功率IGBT驅(qū)動(dòng)和保護(hù)的最佳方式。集成驅(qū)動(dòng)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(hù)等4個(gè)功能電路，各功能電路之間互相配合，完成IGBT的驅(qū)動(dòng)及保護(hù)。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(dòng)上、下半橋開關(guān)管，同時(shí)為IGBT側(cè)故障檢測和保護(hù)電路提供電源，因此集成驅(qū)動(dòng)板上電源是所有電路工作的前提和基礎(chǔ)。

文中的半橋IGBT集成驅(qū)動(dòng)板需要兩組隔離的正負(fù)電壓輸出，作為IGBT的驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路電源。由IGBT的驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)可知，其負(fù)載特性類似于容性負(fù)載，要達(dá)到可靠、快速的開通或關(guān)斷，就要求電源具有很好拉/灌電流能力，即良好的動(dòng)態(tài)特性。半橋IGBT由上、下兩路開關(guān)管組成，型號相同，導(dǎo)通、關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)電壓、電流特性一致，作為雙路隔離DC-DC電源的負(fù)載，其負(fù)載特性是穩(wěn)定的。因此可以設(shè)計(jì)兩路隔離電源，按照所要驅(qū)動(dòng)的最大負(fù)載設(shè)計(jì)，不需要進(jìn)行反饋控制。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)必須依據(jù)選用的IGBT開關(guān)管參數(shù)和工作頻率，核算驅(qū)動(dòng)板電源功率是否滿足，若不滿足，則需重新選用開關(guān)管。

IGBT半橋集成驅(qū)動(dòng)板電源設(shè)計(jì)

1、IGBT半橋集成驅(qū)動(dòng)板電源特點(diǎn)

電力電子變換拓?fù)渲?，以半橋IGBT為基本單元進(jìn)行的拓?fù)湓O(shè)計(jì)最為廣泛，相應(yīng)地對其有效驅(qū)動(dòng)和可靠保護(hù)由半橋IGBT集成驅(qū)動(dòng)板實(shí)現(xiàn)。半橋IGBT集成驅(qū)動(dòng)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(dòng)單元的項(xiàng)目中，針對驅(qū)動(dòng)單元需要高效、可靠的隔離電源，設(shè)計(jì)了一種電源變壓器原邊控制拓?fù)?，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(guān)數(shù)量。全橋開關(guān)管巧妙搭配，無需隔離驅(qū)動(dòng)，減少了占用集成驅(qū)動(dòng)板上的PCB面積。

由于上下半橋的兩個(gè)單元IGBT性能參數(shù)一致、同體封裝，對半橋IGBT集成驅(qū)動(dòng)板上兩路驅(qū)動(dòng)表現(xiàn)出的負(fù)載特性完全一致，因此在IGBT半橋集成驅(qū)動(dòng)板的電源設(shè)計(jì)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(dòng)板一般鑲嵌在IGBT功率模塊上，它對驅(qū)動(dòng)板要求有兩個(gè)：第一是半橋集成驅(qū)動(dòng)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?yàn)轵?qū)動(dòng)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。

2、原邊共用全橋控制的DC-DC電源設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用全橋電路控制DC-DC電源變壓器，兩個(gè)變壓器原邊共用一個(gè)全橋開關(guān)。正常模式下兩個(gè)全橋變換拓?fù)湫枰獌山M全橋開關(guān)，同時(shí)全橋開關(guān)的脈沖驅(qū)動(dòng)電路也為兩組共8路PWM脈沖。采用共用全橋拓?fù)涔?jié)省了控制電路和全橋開關(guān)，簡化了DC-DC隔離電源電路。由于該電源是給半橋IGBT驅(qū)動(dòng)電路供電，負(fù)載穩(wěn)定且可計(jì)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(dòng)開關(guān)、電源變壓器及其副邊整流濾波電路。DC-DC電源輸入為單+15V電源，輸出為兩組隔離的+15V和-10V雙電源，采用負(fù)電源是為可靠地關(guān)斷IGBT。

共用全橋開關(guān)的兩組DC-DC隔離電源工作原理為：對角的開關(guān)管同時(shí)開通，另外一組對角已經(jīng)關(guān)斷，此時(shí)兩組磁芯原邊同時(shí)正反相激磁，副邊耦合，再進(jìn)行全波整流濾波后得到穩(wěn)定的電源。設(shè)計(jì)全橋開關(guān)工作頻率為360kHz，同時(shí)采用全波整流，因此副邊不需要很大的濾波、儲(chǔ)能元件，有利于實(shí)現(xiàn)DC-DC電源小型化。

全橋DC-DC電源參數(shù)為：輸入+15V、輸出+15V、-10V、輸出功率6W、工作頻率360kHz。要求額定負(fù)載下動(dòng)態(tài)特性、滿足：+15V波動(dòng)+1V、-10V波動(dòng)-2V、工作頻率滿足5%的偏差容限。其中工作頻率由施密特觸發(fā)器CD40106參數(shù)及RC數(shù)值決定。具體參數(shù)為：R=2.2kΩ、C=748pF、VDD=15V、VT+=8.8V、VT-=5.8V。根據(jù)式(1)計(jì)算出振蕩頻率為748.792kHz，因?yàn)樵O(shè)計(jì)中多諧振蕩器輸出對2路RC充放電，充電電容容量增大一倍，因此振蕩頻率為上述計(jì)算頻率的1/2，即374.396kHz。

2.1、原邊共用全橋控制的4路PWM信號產(chǎn)生

傳統(tǒng)的全橋DC-DC拓?fù)溆?只相同的開關(guān)管組成，需要2路互反的PWM控制信號，每路PWM信號驅(qū)動(dòng)對角的2只開關(guān)管，2路PWM信號要求有死區(qū)，避免全橋直通。全橋拓?fù)涞纳蠘虮垓?qū)動(dòng)必須隔離，否則無法完成正確驅(qū)動(dòng)，隔離電路一般采用光耦或磁性器件實(shí)現(xiàn)，電路復(fù)雜、體積大。設(shè)計(jì)采用2個(gè)電源變壓器原邊繞組共用一個(gè)全橋開關(guān)，由于系統(tǒng)為+15V單電源輸入，因此全橋開關(guān)采用2片內(nèi)