【導(dǎo)讀】本文介紹了一種DC-DC隔離電源電路設(shè)計,具有高效、高可靠性等特點,易于和IGBT模塊集成,易于安裝。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(yù)期目的。
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(dǎo)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。
IGBT半橋集成驅(qū)動板電源設(shè)計
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(yīng)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。
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+15V電源,輸出為兩組隔離的+15V和-10V雙電源,采用負電源是為可靠地關(guān)斷IGBT。
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360kHz,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。
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全橋DC-DC電源參數(shù)為:輸入+15V、輸出+15V、-10V、輸出功率6W、工作頻率360kHz。要求額定負載下動態(tài)特性、滿足:+15V波動<+1V、-10V波動<-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=748pF、VDD=15V、VT+=8.8V、VT-=5.8V。根據(jù)式(1)計算出振蕩頻率為748.792kHz,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374.396kHz。
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(fù)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+15V單電源輸入,因此全橋開關(guān)采用2片內(nèi)含PMOS和NMOS的S14532ADY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??梢钥吹剑瑢堑拈_關(guān)同時導(dǎo)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(yán)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。
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:
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,△Vce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;△Vd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。
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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。
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366kHz,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35Ω/10W,可以看到突加突卸額定負載時輸出正電壓較平穩(wěn),波動<1V,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~-15V即可,因此滿足半橋集成驅(qū)動電源的要求。
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(yù)期目的。
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