隔離型全橋DC-DC電源設(shè)計(jì)

 全橋結(jié)構(gòu)在電路設(shè)計(jì)當(dāng)中有著相當(dāng)廣泛的作用。本文介紹了一種基于全橋DC-DC的隔離電源設(shè)計(jì)。文中提及的半橋IGBT板為兩組隔離的正負(fù)電壓輸出，這樣做是為了能夠成為IGBT的驅(qū)動(dòng)及保護(hù)。并且在實(shí)踐設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)選擇的IGBT開關(guān)管參數(shù)和工作頻率，來(lái)確定驅(qū)動(dòng)板電源功率。而后對(duì)原邊共用全橋控制的DC-DC電源設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，給出了變壓器的選擇方法。

IGBT半橋集成驅(qū)動(dòng)板電源特點(diǎn)

半橋IGBT的有效驅(qū)動(dòng)和可靠保護(hù)都由半橋IGBT集成驅(qū)動(dòng)板來(lái)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)省了功率開關(guān)數(shù)量。全橋開關(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。

半橋IGBT集成驅(qū)動(dòng)板在兩路驅(qū)動(dòng)上表現(xiàn)出負(fù)載特性一致的原因是，因?yàn)樯舷掳霕虍?dāng)中兩個(gè)單元IGBT的性能參數(shù)一致，并且采用同體封裝。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)板的要求有兩個(gè)：第一是半橋集成驅(qū)動(dòng)板對(duì)PCB面積、體積要求很高，要求盡可能減小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。

原邊共用全橋控制的DC-DC電源設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用了兩個(gè)變壓器原邊共用，也就是全橋電路控制DC-DC電源變壓器。正常模式下兩個(gè)全橋變換拓?fù)湫枰獌山M全橋開關(guān)，同時(shí)全橋開關(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。

圖1 原邊共用全橋電路的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(duì)角的開關(guān)管同時(shí)開通，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。

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。

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開關(guān)，2組之間帶有死區(qū)，具體的4路。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)角的開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，兩組對(duì)角交替開關(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。

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。

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。

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)洌珮螂娐返?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?/p>

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。

本篇文章通過對(duì)原理的分析和計(jì)算，介紹了一種比較穩(wěn)定且性能較高的DC-DC隔離電源設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)不僅容易安裝，還能與IGBT模塊完美集成。并且在最后通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，證明了該種電源的高效性和可靠性，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。