緊湊型全橋DC-DC隔離電源設(shè)計(jì)實(shí)例
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(lèi)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(mǎn)足,若不滿(mǎn)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)
1.1IGBT半橋集成驅(qū)動(dòng)板電源特點(diǎn)
電力電子變換拓?fù)渲?,以半橋IGBT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)?,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(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(mǎn)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+15V電源,輸出為兩組隔離的+15V和-10V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360kHz,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+15V;輸出+15V、-10V;輸出功率6W;工作頻率360kHz。要求額定負(fù)載下動(dòng)態(tài)特性、滿(mǎn)足:+15V波動(dòng)<+1V;-10V波動(dòng)<-2V;工作頻率滿(mǎn)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(jì)算出振蕩頻率為748.792kHz,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。