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[導(dǎo)讀]全橋結(jié)構(gòu)在電路設(shè)計當(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。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

全橋結(jié)構(gòu)在電路設(shè)計當(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。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)動及保護(hù)。并且在實(shí)踐設(shè)計時,需要根據(jù)選擇的IGBT開關(guān)管參數(shù)和工作頻率,來確定驅(qū)動板電源功率。而后對原邊共用全橋控制的DC-DC電源設(shè)計進(jìn)行了介紹,給出了變壓器的選擇方法。

IGBT半橋集成驅(qū)動板電源特點(diǎn)

半橋IGBT的有效驅(qū)動和可靠保護(hù)都由半橋IGBT集成驅(qū)動板來實(shí)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(xiàng)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?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,無需隔離驅(qū)動,減少了占用集成驅(qū)動板上的PCB面積。

半橋IGBT集成驅(qū)動板在兩路驅(qū)動上表現(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)動板的要求有兩個:第一是半橋集成驅(qū)動板對PCB面積、體積要求很高,要求盡可能減小PCB面積和體積;第二因?yàn)轵?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。

原邊共用全橋控制的DC-DC電源設(shè)計

本設(shè)計采用了兩個變壓器原邊共用,也就是全橋電路控制DC-DC電源變壓器。正常模式下兩個全橋變換拓?fù)湫枰獌山M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?fù)涔?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(fù)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(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(jìn)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(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)載下動態(tài)特性、滿足:+15 V波動<+1 V、-10 V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=748 pF、VDD=15 V、VT+=8.8 V、VT-=5.8 V。根據(jù)式(1)計算出振蕩頻率為748.792 kHz,因?yàn)樵O(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。

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?fù)溆?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?fù)涞纳蠘虮垓?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(shí)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+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(jìn)行隔離,使用振蕩電路的邏輯門進(jìn)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(shí)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。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?,對角的開關(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(shí)現(xiàn)高功率密度。

圖2 DC-DC全橋控制原理

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(shí)現(xiàn)低成本和緊湊設(shè)計。文中對通用多諧振蕩器電路進(jìn)行改進(jìn),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。

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。基于上述考慮,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。

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(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。

圖3 Saber仿真原理結(jié)果圖

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(fù)電壓。測試時負(fù)載為35 Ω/10 W,可以看到突加突卸額定負(fù)載時輸出正電壓較平穩(wěn),波動<1 V,滿足設(shè)計要求。負(fù)電壓稍有波動,考慮到IGBT負(fù)壓是用來維持關(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

本篇文章通過對原理的分析和計算,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,這種設(shè)計不僅容易安裝,還能與IGBT模塊完美集成。并且在最后通過對實(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)計目的。

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