一種緊湊型全橋DC-DC隔離電源設(shè)計(jì)

王秋妍，劉 巖 ，李舒艷

(第二炮兵工程學(xué)院基礎(chǔ)部，陜西西安 710025)

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[1-3]。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[4-5]。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DCDC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(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。

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)渲校园霕騃GBT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)[6-7]。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[8]。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[9]。

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+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)DCDC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;VT+=8.8 V;VT-=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)對角的2只開關(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[10]。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+15 V單電源輸入，因此全橋開關(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)，簡化了控制電路，同時(shí)該全橋開關(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)對角的PMOS和NMOS開關(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?，對角的開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，兩組對角交替開關(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)格按照圖2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?；谏鲜隹紤]，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關(guān)器件直通。電路的工作原理是:對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

針對綠色能源設(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關(guān)的DC-DC隔離電源;生成4路無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，該電源電路簡潔、高效、可靠，達(dá)到了預(yù)期目的。

[1]MOHAN N，UNDELAND T M，ROBBINS W P.電力電子學(xué)——變換器、應(yīng)用和設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社，2004.

[2]VAN DE SYPE D M.Gate-drive circuit for zero-voltage-switching half-and ful1-bridge converters[J].IEEE Trans.on Ind，2002，38(5):1380-1388.

[3]孟建輝.開關(guān)電源的基本原理及發(fā)展趨勢[J].通信電源技術(shù)，2009，26(6):62-67.

[4]ABRAHAM I P，KEITH B，TAYLOR M.開關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].3版.王志強(qiáng)，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

[5]高飛燕，吳龍雄.一種適用于便攜式核儀器的綠色模式DC-DC變換器研究與設(shè)計(jì)[J].核電子學(xué)與探測技術(shù)，2010，30(1):52-54.

[6]甘祥彬，崔楊.大功率IGBT驅(qū)動(dòng)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].變頻器世界，2007(10):85-89.

[7]徐延?xùn)|，張舟云，徐國卿.一種用于大功率IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)電路[J].微特電機(jī)，2004(8):33-35.

[8]余明楊，蔣新華，王莉，等.開關(guān)電源的建模與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(2):165-169.

[9]戶川治朗.實(shí)用電源電路設(shè)計(jì)[M].高玉蘋，譯.北京:科學(xué)出版社，2006.

[10]劉賢興，李眾，李捷輝，等.新型智能開關(guān)電源技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.