緊湊型全橋DC-DC隔離電源設(shè)計

　　新型電力電子器件IGBT 作為功率變換器的核心器件，其驅(qū)動和保護電路對變換器的可靠運行至關(guān)重要。集成驅(qū)動是一個具有完整功能的獨立驅(qū)動板，具有安裝方便、驅(qū)動高效、保護可靠等優(yōu)點，是目前大、中功率IGBT 驅(qū)動和保護的最佳方式。

　　集成驅(qū)動一般包括板上DC-DC 隔離電源、PWM 信號隔離、功率放大、故障保護等4 個功能電路，各功能電路之間互相配合，完成IGBT 的驅(qū)動及保護。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)動上、下半橋開關(guān)管，同時為IGBT 側(cè)故障檢測和保護電路提供電源，因此集成驅(qū)動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)動板需要兩組隔離的正負電壓輸出，作為IGBT 的驅(qū)動及保護電路電源。由IGBT 的驅(qū)動特點可知，其負載特性類似于容性負載，要達到可靠、快速的開通或關(guān)斷，就要求電源具有很好拉/灌電流能力，即良好的動態(tài)特性。半橋IGBT由上、下兩路開關(guān)管組成，型號相同，導通、關(guān)斷的驅(qū)動電壓、電流特性一致，作為雙路隔離DC-DC 電源的負載，其負載特性是穩(wěn)定的。因此可以設(shè)計兩路隔離電源，按照所要驅(qū)動的最大負載設(shè)計，不需要進行反饋控制。實際設(shè)計時必須依據(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)動板電源設(shè)計

　　1. 1 IGBT 半橋集成驅(qū)動板電源特點

　　電力電子變換拓撲中，以半橋IGBT 為基本單元進行的拓撲設(shè)計最為廣泛，相應地對其有效驅(qū)動和可靠保護由半橋IGBT 集成驅(qū)動板實現(xiàn)。半橋IGBT集成驅(qū)動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)動單元的項目中，針對驅(qū)動單元需要高效、可靠的隔離電源，設(shè)計了一種電源變壓器原邊控制拓撲，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，減少了占用集成驅(qū)動板上的PCB 面積。

　　由于上下半橋的兩個單元IGBT 性能參數(shù)一致、同體封裝，對半橋IGBT 集成驅(qū)動板上兩路驅(qū)動表現(xiàn)出的負載特性完全一致，因此在IGBT 半橋集成驅(qū)動板的電源設(shè)計中，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)動板一般鑲嵌在IGBT 功率模塊上，它對驅(qū)動板要求有兩個：

　　第一是半橋集成驅(qū)動板對PCB 面積、體積要求很高，要求盡可能小的PCB 面積和體積; 第二因為驅(qū)動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。

　　1. 2 原邊共用全橋控制的DC-DC 電源設(shè)計

　　設(shè)計采用全橋電路控制DC-DC 電源變壓器，兩個變壓器原邊共用一個全橋開關(guān)。正常模式下兩個全橋變換拓撲需要兩組全橋開關(guān)，同時全橋開關(guān)的脈沖驅(qū)動電路也為兩組共8 路PWM 脈沖。采用共用全橋拓撲節(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)動電路供電，負載穩(wěn)定且可計算，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)管同時開通，另外一組對角已經(jīng)關(guān)斷，此時兩組磁芯原邊同時正反相激磁，副邊耦合，再進行全波整流濾波后得到穩(wěn)定的電源。設(shè)計全橋開關(guān)工作頻率為360 kHz，同時采用全波整流，因此副邊不需要很大的濾波、儲能元件，有利于實現(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。要求額定負載下動態(tài)特性滿足： + 15 V 波動《+ 1 V; - 10 V 波動《 - 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) 計算出振蕩頻率為748. 792 kHz，因為設(shè)計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 信號產(chǎn)生

　　傳統(tǒng)的全橋DC-DC 拓撲由4 只相同的開關(guān)管組成，需要2 路互反的PWM 控制信號，每路PWM 信號驅(qū)動對角的2 只開關(guān)管，2 路PWM 信號要求有死區(qū)，避免全橋直通。全橋拓撲的上橋臂驅(qū)動必須隔離，否則無法完成正確驅(qū)動，隔離電路一般采用光耦或磁性器件實現(xiàn)，電路復雜、體積大。設(shè)計采用2 個電源變壓器原邊繞組共用一個全橋開關(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 實現(xiàn)，此時PWM 驅(qū)動脈沖無需隔離，即不用將全橋的上下臂驅(qū)動脈沖進行隔離，使用振蕩電路的邏輯門進行驅(qū)動，簡化了控制電路，同時該全橋開關(guān)為小體積的SO - 8 封裝，實現(xiàn)了最小PCB 設(shè)計。據(jù)此原理設(shè)計全橋開關(guān)需要4 路PWM 脈沖驅(qū)動，分為2 組，每組內(nèi)互反，驅(qū)動對角的PMOS 和NMOS 開關(guān)，2 組之間帶有死區(qū)，具體的4 路驅(qū)動脈沖時序要求如圖2 所示。G11、G2、G22、G1為4路PWM 驅(qū)動，T1、T11為兩個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，對角的開關(guān)同時導通，兩組對角交替開關(guān)，兩個變壓器磁芯工作在Ⅰ、Ⅲ工作象限，雙向勵磁，有利于實現(xiàn)高功率密度。

　　采用上述設(shè)計，4 路PWM 時序必須嚴格按照圖2所示產(chǎn)生。一般PWM 驅(qū)動產(chǎn)生方法用MCU、DSP 或?qū)Ｓ肐C 產(chǎn)生，難以實現(xiàn)低成本和緊湊設(shè)計。文中對通用多諧振蕩器電路進行改進，分別增加兩個二極管、電阻及電容，即可輸出滿足上述要求的4 路PWM 驅(qū)動信號，簡化了電源設(shè)計，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

　　系統(tǒng)電源采用全橋驅(qū)動，磁芯工作在Ⅰ、Ⅲ象限，驅(qū)動上要能夠防止磁芯飽和，同時要求效率高、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，理論計算表明，所選磁芯滿足設(shè)計的功率要求。

　　變壓器匝數(shù)設(shè)計是根據(jù)式( 2) 和式( 3) 計算，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PWM 信號仿真

　　兩路DC-DC 電源變壓器原邊共用全橋拓撲，全橋電路的4 路PWM 信號是在多諧振蕩器電路的基礎(chǔ)上添加幾個無源器件生成的，并且產(chǎn)生的兩組驅(qū)動信號帶有死區(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，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，這個差異就會在兩組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撲的控制要求。

　　圖3 Saber 仿真原理結(jié)果圖

　　2 實驗結(jié)果

　　圖4( a) 所示為實際全橋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)計要求。圖4( b) 所示為動態(tài)加載輸出波形，其中CH1為輸出正電壓，CH2為輸出負電壓。測試時負載為35 Ω/10 W，可以看到突加突卸額定負載時輸出正電壓較平穩(wěn)，波動《 1 V，滿足設(shè)計要求; 負電壓稍有波動，考慮到IGBT 負壓是用來維持關(guān)斷狀態(tài)，負壓在- 5 ~ - 15 V 即可，因此滿足半橋集成驅(qū)動電源的要求。

　　圖4 電源變壓器繞組帶載波形及動態(tài)加載輸出波形圖

　　3 結(jié)束語

　　針對綠色能源設(shè)計需求，結(jié)合集成驅(qū)動板具體使用條件，實現(xiàn)了DC-DC 隔離電源高效、可靠設(shè)計，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，實現(xiàn)了高功率密度的板上電源的緊湊設(shè)計。仿真和實驗結(jié)果表明，該電源電路簡潔、高效、可靠，達到了預期目的。