三相IGBT全橋隔離驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于電流型PWM控制器UC3845的三相IGBT全橋隔離驅(qū)動(dòng)電源。采用單端反激式結(jié)構(gòu)，電壓反饋與電流反饋組成雙閉環(huán)串級(jí)結(jié)構(gòu)。TL431a與PC817組成反饋網(wǎng)絡(luò)，旁路掉UC3845內(nèi)部誤差放大器，反饋信號(hào)直接輸入到內(nèi)部誤差放大器的輸出端。提供4路相互隔離輸出，每路均提供+15 V／-9 V輸出。該電源穩(wěn)壓效果好，負(fù)載調(diào)整率高，適合作為三相IGBT全橋隔離驅(qū)動(dòng)電源。
關(guān)鍵詞：UC3845；三相IGBT全橋；隔離電源；反饋網(wǎng)絡(luò)

0 引言
    三相IGBT全橋6個(gè)IGBT共需要6路驅(qū)動(dòng)，每路IGBT驅(qū)動(dòng)電源的地與該IGBT的發(fā)射極E連在一起。而三相IGBT全橋處于下橋臂的3個(gè)IGBT是共射極連接的，所以三相IGBT全橋下橋臂的3個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)電源是共地的，即三相IGBT全橋6路驅(qū)動(dòng)僅需要4路相互隔離的電源。每路IGBT驅(qū)動(dòng)一般需要正負(fù)電壓的雙電源供電，所以每路隔離電源必須能夠提供正負(fù)電壓輸出。目前市場(chǎng)上已存在提供4路隔離輸出的DC／DC電源，但每路均提供正負(fù)電壓輸出的4路隔離輸出電源還不存在。
    本文針對(duì)10 kW三相IGBT全橋變換器設(shè)計(jì)了一種隔離驅(qū)動(dòng)電源，提供4路相互隔離的輸出，每路輸出均提供+15 V／-9 V電源。電源功率較小，考慮成本和效率，采用單端反激式結(jié)構(gòu)。電源內(nèi)部反饋網(wǎng)絡(luò)采用電壓和電流反饋雙閉環(huán)串極結(jié)構(gòu)，分別從電壓輸出端和電流采樣電阻上得到電壓電流反饋信號(hào)，經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)輸入到PWM控制器，PWM控制器根據(jù)反饋信號(hào)大小調(diào)節(jié)其輸出開關(guān)脈沖的占空比，以此來(lái)保持輸出電壓的穩(wěn)定。

1 三相IGBT全橋隔離驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)
    三相IGBT全橋隔離驅(qū)動(dòng)電源采用電流型PWM控制器LIC3845，輸出4路相互隔離的+15 V／-9 V，如圖1所示。其中，一路額定輸出電流為0．2 A，用于三相全橋下橋臂共射極連接的3個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)供電，另外3路額定輸出電流為0．1 A，分別用于上橋臂的3個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)供電。

1．1 電路工作原理
1．1．1 開關(guān)脈沖的產(chǎn)生
    開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器的初級(jí)電流逐漸增大，采樣電阻風(fēng)上的壓降增加，通過(guò)RC濾波電路反饋到芯片UC3845的3腳，與電流取樣比較器的另一端進(jìn)行比較，當(dāng)這個(gè)壓降達(dá)到UC3845的1管腳建立的門限電平時(shí)，鎖存器復(fù)位，開關(guān)管截止。UC3845作為電流模式控制器工作，輸出開關(guān)的導(dǎo)通由UC3845內(nèi)部振蕩器開始，到變壓器初級(jí)電流到達(dá)管腳1建立的門限電平時(shí)為止。[!--empirenews.page--]
1．1．2 占空比的調(diào)節(jié)
    變壓器+15 V，-9 v／0．2 A一路輸出電壓通過(guò)TL431a和光耦PC817反饋到UC3845的1腳，UC3845的2腳接地，UC3845內(nèi)部誤差比較放大器的輸入誤差總是固定的，將PC817的光電晶體管視為可變電阻，1腳的反饋信號(hào)改變的是誤差比較放大器的增益，其等效電路如圖2所示。

    當(dāng)+15 V、-9V／0．2 A一路輸出電壓過(guò)高時(shí)，TL431參考端電壓升高，陰極電壓降低，光耦PC817二極管的電流增大，晶體管電流也相應(yīng)增大，UC3845的1腳電壓降低，流過(guò)開關(guān)管的峰值電流減小，占空比減小，使得輸出電壓降低。當(dāng)輸出電壓偏低時(shí)與上述情況正好相反。
1．1．3 +15 V／-9 V電壓的產(chǎn)生
    圖1所示的隔離電源的變壓器次級(jí)4路實(shí)際輸出+24 V的電壓，為得到+15 V／-9 V的電壓，采用15 V穩(wěn)壓二極管和電阻串聯(lián)的形式。也可以采用變壓器次級(jí)引出中間抽頭的方式，但這種方式占用變壓器管腳太多，變壓器骨架管腳數(shù)目會(huì)不足。
1．2 反激式變壓器設(shè)計(jì)
    單端反激式變壓器可工作在電流連續(xù)模式(CCM)或斷續(xù)模式(DCM)，但在CCM模式下變壓器磁芯易飽和發(fā)熱，通常設(shè)計(jì)為DCM下工作。
    確定已知參數(shù)：直流輸入電壓的最大值Uinmax和最小值Uinmax；輸出電壓Uo、功率Po；開關(guān)頻率f、工作效率η、開關(guān)導(dǎo)通壓降UDS。在反激變壓器中，次級(jí)反激電壓VOR與輸入電壓之和不能高于開關(guān)管的耐壓USmax，
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1．3 電壓電流反饋回路參數(shù)設(shè)計(jì)
    TL431a是美國(guó)德州儀器(TI)生產(chǎn)的2．5～36 V可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器。它的參考端輸入電流值為2μA，為了避免此端電流影響分壓比和避免噪聲的影響，通常取流過(guò)電阻Rlow的電流為參考輸入端電流的100倍以上，所以得Rlow的取值范圍：。在該范圍內(nèi)給Rlow取值。根據(jù)Rup，Rlow，Uo，Uref的關(guān)系，得到。
    TL431a的陰極電壓Uka在2．5 V～36 V變化時(shí)，陰極電流Ika范圍是1～150 mA，當(dāng)PC817的正向電流If為0時(shí)，必須保證Ika至少為1 mA，所以Ibias至少為1 mA，此時(shí)PC817的正向壓降Uf即Ubias小于1．2 V，所以Rbias的范圍：。
    UC3845的1腳正常電壓為0．8 V～6．2 V，由PC817的技術(shù)資料得：當(dāng)PC817二極管正向電流If為3 mA左右時(shí)，晶體管集射電流Ic在4 mA左右變化，集射電壓Uce在很寬的范圍內(nèi)線性變化，符合UC3845的控制要求，所以取PC817二極管正向電流If為3 mA，取TL431a陰極電流Ika為不大于150 mA的確定值(例如20 mA)。由此根據(jù)，可得Rbias的值；又由TL431a陰極工作電位為2．5～36 V得到Rf的取值范圍：
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2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和波形。表1為隔離電源在空載和帶載(+15 V，-9 V／0．2 A一路輸出帶載240 Ω，另外3路輸出各帶載120 Ω)下的4路輸出電壓值及相應(yīng)的負(fù)載調(diào)整率。

    圖3為+15 V，-9 V／0．2 A一路輸出帶載時(shí)的電壓波形。圖3為+15 V，-9 V／0．2 A一路帶載輸出電壓：深色CH1為+15 V輸出，淺色CH2為-9 V輸出。

3 結(jié)語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)制作了基于電流型PWM控制器UC3845的三相IGBT全橋隔離驅(qū)動(dòng)電源，采用單端反激式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低。實(shí)驗(yàn)表明，該隔離驅(qū)動(dòng)電源的輸出電壓穩(wěn)定，負(fù)載調(diào)整率高，具有很高的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)填補(bǔ)了當(dāng)前市場(chǎng)沒有三相IGBT全橋隔離驅(qū)動(dòng)電源的空白。