一種固態(tài)開(kāi)關(guān)的多路高壓隔離驅(qū)動(dòng)電源

劉志遠(yuǎn)，胡建超，劉天強(qiáng)，夏德印，張省

（許繼電源有限公司，河南 許昌 461000）

一種固態(tài)開(kāi)關(guān)的多路高壓隔離驅(qū)動(dòng)電源

劉志遠(yuǎn)，胡建超，劉天強(qiáng)，夏德印，張省

（許繼電源有限公司，河南 許昌 461000）

描述了脈沖功率固態(tài)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電源需解決的問(wèn)題，介紹了一種采用電流母線形式和半橋串聯(lián)諧振電路設(shè)計(jì)的高壓隔離驅(qū)動(dòng)電源，詳細(xì)分析了該隔離電源主回路、控制電路和采樣電路，并以一臺(tái)功率500 W，輸出電壓DC 20 V的樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)證明，該形式高壓隔離驅(qū)動(dòng)電源開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)，功耗低，紋波小，較好地實(shí)現(xiàn)了高壓電位隔離和多路輸出，為固態(tài)開(kāi)關(guān)較為理想的驅(qū)動(dòng)電源。

固態(tài)開(kāi)關(guān)；多路輸出；電源；高壓隔離；串聯(lián)諧振

現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展使得半導(dǎo)體固態(tài)開(kāi)關(guān)的耐壓等級(jí)和通流能力有了極大的提高，近年來(lái)在脈沖功率開(kāi)關(guān)技術(shù)中應(yīng)用也越來(lái)越多，固態(tài)開(kāi)關(guān)調(diào)制器相比傳統(tǒng)調(diào)制器的開(kāi)關(guān)重復(fù)頻率高，并且能夠調(diào)節(jié)脈沖寬度和重復(fù)頻率，優(yōu)勢(shì)十分明顯［1］。其中絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）具備開(kāi)關(guān)頻率高、導(dǎo)通壓降小等優(yōu)點(diǎn)，在固態(tài)開(kāi)關(guān)調(diào)制器中使用廣泛，特別是單管IGBT，封裝一致、價(jià)格相對(duì)低、通用性強(qiáng)。

但是脈沖功率開(kāi)關(guān)技術(shù)有如下特點(diǎn)：運(yùn)行電壓高（數(shù)kV到數(shù)百kV）、導(dǎo)通時(shí)間短、峰值功率大、高頻連續(xù)開(kāi)關(guān)工作。單管IGBT耐壓和通流能力有限，在脈沖功率固態(tài)開(kāi)關(guān)中多以串并聯(lián)形式應(yīng)用，如果單管IGBT的耐壓為1 200 V，在幾十kV的調(diào)制器中就需要100～200級(jí)單管串聯(lián)才能實(shí)現(xiàn)，為了減少由于PCB布局產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)延時(shí)，各級(jí)單管就近單獨(dú)配驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路采用光信號(hào)接收器直接接收開(kāi)關(guān)信號(hào)。

由于固態(tài)開(kāi)關(guān)懸浮于高電壓上，驅(qū)動(dòng)電路的低壓電源必須做到隔離，常規(guī)設(shè)計(jì)一般采用隔離變壓器，但是隔離變壓器工作頻率低，副繞組數(shù)量少，導(dǎo)致體積大線路復(fù)雜，當(dāng)固態(tài)開(kāi)關(guān)使用多級(jí)IGBT串聯(lián)實(shí)現(xiàn)時(shí)，大量使用隔離變壓器會(huì)影響整個(gè)PCB的體積和分布參數(shù)［2］。

如何設(shè)計(jì)出體積小、精度高的多路驅(qū)動(dòng)電源，是目前脈沖功率固態(tài)開(kāi)關(guān)隔離驅(qū)動(dòng)電源需解決的問(wèn)題。本文介紹了電流母線形式和串聯(lián)諧振逆變方法隔離驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)方法，研制出幾百路輸出為DC 20 V、總功率約500 W的驅(qū)動(dòng)電源樣機(jī)，運(yùn)行良好。

1　總體設(shè)計(jì)

本文所述高壓隔離驅(qū)動(dòng)電源采用電流母線的形式，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1　高壓隔離驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)原理框圖Fig.1　High voltage isolation driving power system diagram

系統(tǒng)組成分為輸入電路、串聯(lián)諧振主回路、控制電路、采樣電路、輸出隔離變壓器、全橋整流電路。

電流母線流過(guò)高頻交流電源，從環(huán)形磁芯中穿過(guò)構(gòu)成變壓器初級(jí)，環(huán)形磁芯上纏繞幾組相同匝數(shù)的次級(jí)線圈經(jīng)整流后形成一路隔離電源，多個(gè)環(huán)形磁芯串在一起在次級(jí)實(shí)現(xiàn)多路的隔離驅(qū)動(dòng)電源，后接驅(qū)動(dòng)板控制固態(tài)開(kāi)關(guān)通斷。電流母線采用耐高壓電纜，與磁芯的絕緣材料共同實(shí)現(xiàn)電位隔離。

變壓器初級(jí)采用高頻交流逆變電源，提高頻率可以減小變壓器體積，但同時(shí)也可能增加開(kāi)關(guān)損耗，因此主回路加入諧振網(wǎng)絡(luò)改善輸出電流波形，改變回路阻抗性質(zhì)，為開(kāi)關(guān)管提供軟開(kāi)關(guān)條件［3］，變壓器次級(jí)有若干路繞組，各輸出經(jīng)各自整流電路后為固態(tài)開(kāi)關(guān)供電。

采樣電路將電流信號(hào)送至控制電路，構(gòu)成輸出逆變輸出反饋；控制電路產(chǎn)生高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并根據(jù)電流反饋閉鎖或使能驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

2　主電路

本文設(shè)計(jì)的隔離驅(qū)動(dòng)電源采用半橋串聯(lián)諧振逆變電路，主回路如圖2所示。

前端直流電源采用AC 220 V整流濾波而來(lái)，中間加軟啟電路，防止上電瞬間電容充電電流過(guò)大；C1，C2為分壓電容，并聯(lián)相同的分壓電阻，穩(wěn)態(tài)時(shí)兩端電壓相同，中點(diǎn)電壓為E/2。

Q1，Q2為IGBT，選用半橋模塊，分別反并聯(lián)二極管D1，D2；LS和CS分別為諧振電感和諧振電容；直流輸入電壓經(jīng)半橋逆變成方波；LS和CS構(gòu)成串聯(lián)諧振實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管Q1和Q2的軟開(kāi)關(guān)，減少開(kāi)關(guān)損耗［3-5］。

圖2　高壓隔離電源主回路Fig.2　Main circuit of high voltage isolation driving power

半橋串聯(lián)諧振逆變電路相比全橋電路相比，減少了開(kāi)關(guān)管的數(shù)目，同時(shí)IGBT承受的電壓應(yīng)力小，整個(gè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易控制。

后端為電流母線穿過(guò)數(shù)個(gè)磁環(huán)，形成1個(gè)變壓器，電流母線做原邊，每個(gè)磁環(huán)上繞適當(dāng)?shù)脑褦?shù)作為副邊，副邊電流經(jīng)過(guò)整流濾波就可以成為1組隔離驅(qū)動(dòng)電源。該變壓器設(shè)計(jì)原理與LLC串聯(lián)諧振變壓器相同，根據(jù)變壓器副邊側(cè)每一路驅(qū)動(dòng)電源的輸出電壓和變壓器原邊側(cè)直流母線電壓的比值，初步設(shè)計(jì)變壓器原副邊匝比，根據(jù)輸出功率和輸出電壓確定負(fù)載等效阻抗，初步確定變壓器原副邊電流；變壓器副邊輸出后接全橋整流電路及濾波電路，輸出所需驅(qū)動(dòng)電源。

由于采用了高壓原邊電纜和高壓磁環(huán)，驅(qū)動(dòng)電源能夠?qū)崿F(xiàn)固態(tài)開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)電源的高壓隔離。

3　控制電路

控制芯片采用Motorola公司的高性能諧振控制芯片MC33067，驅(qū)動(dòng)控制電路如圖3所示。

芯片管腳12和管腳14分別為兩路輸出信號(hào)，產(chǎn)生IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，分別為主電路上下橋臂的驅(qū)動(dòng)，為避免上下橋臂直通，兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)應(yīng)設(shè)置死區(qū)時(shí)間Td，Td由芯片16腳外接的定時(shí)電阻RT和定時(shí)電容CT計(jì)算確定：

驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率可以通過(guò)調(diào)整串接于芯片管腳3和管腳6之間的調(diào)頻電阻RVFO進(jìn)行調(diào)節(jié)，其實(shí)質(zhì)是改變流經(jīng)RVFO的電流大小；芯片管腳9為使能端，低電平時(shí)芯片無(wú)輸出，此管腳可作為保護(hù)端口。

芯片管腳12和管腳14輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)后各自經(jīng)過(guò)與門(mén)輸出，電壓反饋信號(hào)VF和參考電壓VREF構(gòu)成比較電路，連同后端晶體管T1和T2構(gòu)成反饋控制回路，當(dāng)VF＞VREF時(shí)比較電路輸出為低電平，T1工作于截止區(qū)，T2工作于飽和區(qū)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)與門(mén)的輸入經(jīng)二極管和T2被拉至低電平，驅(qū)動(dòng)電路無(wú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，串聯(lián)諧振逆變回路內(nèi)部能量振蕩衰減，當(dāng)VF＜VREF時(shí)正好相反，T1工作于飽和區(qū)，T2工作于截止區(qū)，串聯(lián)諧振逆變電路正常運(yùn)行，這樣形成一個(gè)閉環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓“自停自補(bǔ)”，為避免比較器頻繁翻轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)反饋電阻構(gòu)成所需滯環(huán)，根據(jù)后端調(diào)制器固態(tài)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)所需電源電壓設(shè)定參考電壓值VREF，能夠得到穩(wěn)定輸出電壓。

圖3　驅(qū)動(dòng)控制電路Fig.3　The driving control circuit

電流采樣電路如圖4所示。

圖4　電流采樣電路Fig.4　The current sampling circuit

流經(jīng)電流母線的交流電經(jīng)互感器，在互感器副邊形成與互感器原副邊匝比有關(guān)的交流電流，經(jīng)整流橋整流后在電阻R1上形成電壓信號(hào)，再經(jīng)后端分壓電路形成采樣信號(hào)VF+和VF-送至差分放大電路，選取電阻R4，R5，R6，R7阻值相同，輸出電壓信號(hào)VF大小由下式計(jì)算：

4　樣機(jī)試驗(yàn)

本樣機(jī)為某固態(tài)開(kāi)關(guān)調(diào)制器提供數(shù)百路高壓隔離驅(qū)動(dòng)電源，總功率約500 W，輸出電壓DC 20 V。

樣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為兩部分：高頻輔電單元和高壓隔離單元。高頻輔電單元包括整流、高頻逆變和采樣控制；高壓隔離單元包括隔高壓直流母線、隔離變壓器和全橋整流。

高頻輔電單元輸出高頻交流直接接入高壓隔離單元的電流母線，電流母線采用硅橡膠高壓電纜，環(huán)形磁芯外套以環(huán)氧樹(shù)脂材料的護(hù)罩，保證高壓電位隔離，全橋整流濾波后作為驅(qū)動(dòng)電源。

高頻串聯(lián)諧振逆變電源輸入單相交流電壓，磁芯選用高磁密度、矯頑力小以及損耗小的非晶軟磁材料，需要幾十個(gè)磁環(huán)，根據(jù)輸入輸出電壓關(guān)系，磁環(huán)原副邊匝比n=N2/N1=8。

串聯(lián)諧振逆變主回路開(kāi)關(guān)管選用BSM 100GB120DN2半橋模塊，耐壓1 200 V，諧振電感LS=53 μH，諧振電容CS=450 nF，主回路諧振頻率，對(duì)串聯(lián)諧振逆變電路分析可知，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，主回路諧振電流斷續(xù)［6］，開(kāi)關(guān)管為零電流開(kāi)通，零電流/零電壓關(guān)斷，開(kāi)關(guān)損耗低且干擾小，電路具有電流源性質(zhì)，因此控制電路頻率電阻RVFO= 6.2 kΩ，開(kāi)關(guān)頻率 fs=15.8 kHz，死區(qū)電阻RT= 3 kΩ，死區(qū)電容CT=10 nF，由式（2）計(jì)算得出死區(qū)時(shí)間Td=10.44 μs。

IGBT兩端電壓和電流波形如圖5所示，電流斷續(xù)，開(kāi)關(guān)管工作于軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

圖6為閉環(huán)控制自停自補(bǔ)測(cè)試波形，波形①為IGBT上橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，由圖可見(jiàn)正常工作時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)周期性間斷封鎖，例如在t1到t2時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)信號(hào)停止輸出；波形②為主回路電流波形，在主回路IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)存在時(shí)，主回路串聯(lián)諧振，變壓器原邊流過(guò)高頻交流電，IGBT驅(qū)動(dòng)封鎖后，串聯(lián)諧振主回路無(wú)電流；波形③為每一路變壓器副邊整流濾波后電壓波形，在t1時(shí)刻，電流采樣回路VF＞VREF，驅(qū)動(dòng)信號(hào)被封鎖，諧振電流中斷，輸出電壓開(kāi)始降低，到t2時(shí)刻，電流采樣回路VF＜VREF，驅(qū)動(dòng)信號(hào)恢復(fù)，諧振電流恢復(fù)，輸出電壓開(kāi)始逐漸增長(zhǎng)，如此滯環(huán)控制實(shí)現(xiàn)自停自補(bǔ)，輸出電壓被穩(wěn)定在設(shè)計(jì)值，滯環(huán)的寬度決定了輸出電壓的紋波大小。

圖5　開(kāi)關(guān)管電壓電流波形Fig.5　Voltage and current waveforms of IGBT

圖6　驅(qū)動(dòng)信號(hào)與電流波形Fig.6　The driving signal and current waveform

交流輸入額定AC 220 V時(shí)，控制電路自停自補(bǔ)時(shí)間為460 μs，高壓隔離電源每一路輸出為20.64 V，直流紋波電壓為0.8 V，示波器測(cè)得波形如圖7所示。

實(shí)驗(yàn)輸出結(jié)果證明了設(shè)計(jì)的科學(xué)性及有效性，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

圖7　隔離電源輸出電壓紋波Fig.7　Output voltage ripple of the isolation power

5　結(jié)論

經(jīng)過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電源運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了高壓隔離、體積輕巧、功耗小，可實(shí)現(xiàn)多路輸出，且一致性好、精度高、誤差小，控制簡(jiǎn)單方便。在基于多級(jí)IGBT串并聯(lián)的脈沖功率高壓固態(tài)開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，是較為理想的高壓隔離驅(qū)動(dòng)電源。

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Kind of Solid-state Switch Multiplex High Voltage Isolation Drive Power Supply

LIU Zhiyuan，HU Jianchao，LIU Tianqiang，XIA Deyin，ZHANG Xing
（XJ Power Corporation，Xuchang 461000，Henan，China）

Described the problems of pulse power solid-state switch drive power supply，introduced a design of high-voltage isolation drive power supply in the form of current bus bar and a half-bridge series resonant inverter circuit，analyzed the isolation power main circuit，control circuit and sample circuit in detail，and with a power of 500 W，output voltage DC 20 V prototype experiment validation.Experiments show that the form of high voltage isolation drive power achieve soft-switching，low power consumption，small ripple，better realize the high voltage potential segregation and multiplexed output，is more ideal drive for solid state switch power supply.

solid-state switch；multi-output；power supply；high-voltage isolation；series resonant

TN86

B

2015-06-04

修改稿日期：2016-02-19

劉志遠(yuǎn)（1985-），男，碩士研究生，中級(jí)工程師，Email：liuxxx09@163.com