緊湊型全橋DC-DC隔離電源設(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(duì)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(hào)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(kāi)關(guān)管，同時(shí)為IGBT 側(cè)故障檢測(cè)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(kāi)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(kāi)關(guān)管組成，型號(hào)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(kāi)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(kāi)關(guān)管。

　　1 IGBT 半橋集成驅(qū)動(dòng)板電源設(shè)計(jì)

　　1. 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(duì)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(duì)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(kāi)關(guān)數(shù)量。全橋開(kāi)關(guān)管巧妙搭配，無(wú)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(duì)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(duì)驅(qū)動(dòng)板要求有兩個(gè)：

　　第一是半橋集成驅(qū)動(dòng)板對(duì)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(duì)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(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(kāi)關(guān)。正常模式下兩個(gè)全橋變換拓?fù)湫枰獌山M全橋開(kāi)關(guān)，同時(shí)全橋開(kāi)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(kāi)關(guān)，簡(jiǎn)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(kāi)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(kāi)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+ 15 V 電源，輸出為兩組隔離的+ 15 V 和- 10 V 雙電源，采用負(fù)電源是為可靠地關(guān)斷IGBT.

　　圖1 原邊共用全橋的DC-DC 原理圖

　　共用全橋開(kāi)關(guān)的兩組DC-DC 隔離電源工作原理為： 對(duì)角的開(kāi)關(guān)管同時(shí)開(kāi)通，另外一組對(duì)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(kāi)關(guān)工作頻率為360 kHz，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+ 15 V; 輸出+ 15 V、-10 V; 輸出功率6 W; 工作頻率360 kHz。要求額定負(fù)載下動(dòng)態(tài)特性滿足： + 15 V 波動(dòng)《+ 1 V; - 10 V 波動(dòng)《 - 2 V; 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. 2 kΩ; C =748 pF; VDD = 15 V; V T + = 8. 8 V; V T - = 5. 8 V.根據(jù)式( 1) 計(jì)算出振蕩頻率為748. 792 kHz，因?yàn)樵O(shè)計(jì)中多諧振蕩器輸出對(duì)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. 396 kHz。

　　1. 2. 1 原邊共用全橋控制的4 路PWM 信號(hào)產(chǎn)生

　　傳統(tǒng)的全橋DC-DC 拓?fù)溆? 只相同的開(kāi)關(guān)管組成，需要2 路互反的PWM 控制信號(hào)，每路PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)對(duì)角的2 只開(kāi)關(guān)管，2 路PWM 信號(hào)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(wú)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(kāi)關(guān)，由于系統(tǒng)為+ 15 V單電源輸入，因此全橋開(kāi)關(guān)采用2 片內(nèi)含PMOS 和NMOS 的SI4532ADY 實(shí)現(xiàn)，此時(shí)PWM 驅(qū)動(dòng)脈沖無(wú)需隔離，即不用將全橋的上下臂驅(qū)動(dòng)脈沖進(jìn)行隔離，使用振蕩電路的邏輯門進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)化了控制電路，同時(shí)該全橋開(kāi)關(guān)為小體積的SO - 8 封裝，實(shí)現(xiàn)了最小PCB 設(shè)計(jì)。據(jù)此原理設(shè)計(jì)全橋開(kāi)關(guān)需要4 路PWM 脈沖驅(qū)動(dòng)，分為2 組，每組內(nèi)互反，驅(qū)動(dòng)對(duì)角的PMOS 和NMOS 開(kāi)關(guān)，2 組之間帶有死區(qū)，具體的4 路驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)序要求如圖2 所示。G11、G2、G22、G1為4路PWM 驅(qū)動(dòng)，T1、T11為兩個(gè)DC-DC 電源變壓器，此處只畫出了原邊繞組，C 為隔直電容，能夠有效地防止變壓器磁芯飽和?？梢钥吹?，對(duì)角的開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，兩組對(duì)角交替開(kāi)關(guān)，兩個(gè)變壓器磁芯工作在Ⅰ、Ⅲ工作象限，雙向勵(lì)磁，有利于實(shí)現(xiàn)高功率密度。

　　采用上述設(shè)計(jì)，4 路PWM 時(shí)序必須嚴(yán)格按照?qǐng)D2所示產(chǎn)生。一般PWM 驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生方法用MCU、DSP 或?qū)Ｓ肐C 產(chǎn)生，難以實(shí)現(xiàn)低成本和緊湊設(shè)計(jì)。文中對(duì)通用多諧振蕩器電路進(jìn)行改進(jìn)，分別增加兩個(gè)二極管、電阻及電容，即可輸出滿足上述要求的4 路PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)，提高了可靠性。

　　圖2 DC-DC 全橋控制原理

　　1. 2. 2 DC-DC 電源變壓器的選擇及設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)電源采用全橋驅(qū)動(dòng)，磁芯工作在Ⅰ、Ⅲ象限，驅(qū)動(dòng)上要能夠防止磁芯飽和，同時(shí)要求效率高、體積小。基于上述考慮，選用環(huán)形磁芯T10 × 6 × 5，材質(zhì)為PC40，環(huán)形磁芯漏磁小、效率高。具體參數(shù)為： μi = 2 400，Ae = 9. 8 mm2，Aw = 28. 2 mm2，J =2A / mm2.系統(tǒng)工作狀態(tài)為： ηB = 90%，Km = 0. 1，fs = 366 kHz，Bm = 2 000 GS，根據(jù)PO = Ae × Aw × 2 ×fs × Bm × J × ηB × Km × 10 - 6 得出PO = 9. 8 × 10 - 2 ×28. 2 × 10 - 2 × 2 × 366 × 103 × 2 000 × 2 × 0. 9 × 0. 1 ×10 - 6 = 7. 3 W，理論計(jì)算表明，所選磁芯滿足設(shè)計(jì)的功率要求。

　　變壓器匝數(shù)設(shè)計(jì)是根據(jù)式( 2) 和式( 3) 計(jì)算，其中μi為輸入電壓最小值，ΔVce為額定電流下全橋回路開(kāi)關(guān)管壓降，Dmax = 0. 48; μo為輸出電壓額定值;ΔVd為輸出額定電流下全波整流二極管壓降。理論計(jì)算原副邊匝數(shù)為： 原邊Np = 4. 6 匝，副邊Ns1 = 5. 8匝，Ns2 = 3. 9 匝。

　　實(shí)際調(diào)試結(jié)果為： 原邊p =6 匝，副邊Ns1 = 8 匝，Ns2 =5 匝。

　　1. 3 帶死區(qū)的4 路互補(bǔ)PWM 信號(hào)仿真

　　兩路DC-DC 電源變壓器原邊共用全橋拓?fù)?，全橋電路? 路PWM 信號(hào)是在多諧振蕩器電路的基礎(chǔ)上添加幾個(gè)無(wú)源器件生成的，并且產(chǎn)生的兩組驅(qū)動(dòng)信號(hào)帶有死區(qū)，能夠有效防止全橋開(kāi)關(guān)器件直通。電路的工作原理是： 對(duì)通用多諧振蕩器輸出加以改進(jìn)，使其充放電電容容量不同，產(chǎn)生2 路充放電曲線略有差異的波形，這個(gè)差異就會(huì)在兩組PWM 波之間產(chǎn)生死區(qū)，再分別經(jīng)過(guò)同相器和反相器，即可產(chǎn)生4 路滿足驅(qū)動(dòng)要求的PWM 脈沖。

　　4 路PWM 生成電路的Saber 仿真原理圖及仿真結(jié)果如圖3( a) 和圖3( b) 所示。由仿真結(jié)果可以看出，4 路PWM 脈沖能夠滿足共用全橋拓?fù)涞目刂埔蟆?/p>

　　圖3 Saber 仿真原理結(jié)果圖

　　2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　圖4( a) 所示為實(shí)際全橋DC-DC 電源變壓器原邊及副邊繞組帶載波形，其中CH1為原邊線圈兩端電壓，CH2為副邊線圈正電壓。由于器件分散性，實(shí)際測(cè)試DC-DC 電源工作頻率為366 kHz，頻率偏差為3. 8%，滿足設(shè)計(jì)要求。圖4( b) 所示為動(dòng)態(tài)加載輸出波形，其中CH1為輸出正電壓，CH2為輸出負(fù)電壓。測(cè)試時(shí)負(fù)載為35 Ω/10 W，可以看到突加突卸額定負(fù)載時(shí)輸出正電壓較平穩(wěn)，波動(dòng)《 1 V，滿足設(shè)計(jì)要求; 負(fù)電壓稍有波動(dòng)，考慮到IGBT 負(fù)壓是用來(lái)維持關(guān)斷狀態(tài)，負(fù)壓在- 5 ~ - 15 V 即可，因此滿足半橋集成驅(qū)動(dòng)電源的要求。

　　圖4 電源變壓器繞組帶載波形及動(dòng)態(tài)加載輸出波形圖

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　針對(duì)綠色能源設(shè)計(jì)需求，結(jié)合集成驅(qū)動(dòng)板具體使用條件，實(shí)現(xiàn)了DC-DC 隔離電源高效、可靠設(shè)計(jì)，并且易于和IGBT 模塊集成，易于安裝。該電路以兩組磁芯原邊繞組共用高頻全橋開(kāi)關(guān)的DC-DC 隔離電源; 生成4 路無(wú)需隔離的全橋脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了高功率密度的板上電源的緊湊設(shè)計(jì)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電源電路簡(jiǎn)潔、高效、可靠，達(dá)到了預(yù)期目的。