一種緊湊型全橋DC-DC隔離電源設(shè)計(jì)

摘要 針對(duì)半橋IGBT集成驅(qū)動(dòng)板上隔離電源及驅(qū)動(dòng)板負(fù)載的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種兩組磁芯共用一組高頻全橋開(kāi)關(guān)的DC-DC隔離電源。簡(jiǎn)潔的電路產(chǎn)生4路全橋驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，無(wú)需隔離，實(shí)現(xiàn)了板上電源的緊湊設(shè)計(jì)，提高了功率密度。對(duì)關(guān)鍵信號(hào)的產(chǎn)生進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該電源電路簡(jiǎn)潔、高效、可靠，與IGBT半橋集成驅(qū)動(dòng)板達(dá)到了良好的結(jié)合。
關(guān)鍵詞 半橋驅(qū)動(dòng)；IGBT；DC-DC；緊湊設(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(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)洌磧山M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。

    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。[!--empirenews.page--]
    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)<-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=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(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374．396kHz。
   
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S14532ADY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。可以看到，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。
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=28．2mm2，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)P0=Ae×Aw×2×fs×Bm×J×ηB×Km×10-6。得出P0=9．8×10-2×28．2 x 10-2×2×366×103×2 000 x 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，△Vce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；△Vd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。
    Np=[(μi-△Vce)×Dmax]／(2△B×Ae×fs)         (2)
    Np=[(μo-△Vd)×(1-Dmax)]／(2△B×Ae×fs)      (3)
實(shí)際調(diào)試結(jié)果為：原邊p=6匝，副邊Ns1=8匝，Ns2=5匝。[!--empirenews.page--]
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?br /> [!--empirenews.page--]
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。

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。