一種緊湊型全橋DC-DC隔離電源設(shè)計(jì)
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摘要 針對(duì)半橋IGBT集成驅(qū)動(dòng)板上隔離電源及驅(qū)動(dòng)板負(fù)載的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種兩組磁芯共用一組高頻全橋開(kāi)關(guān)的DC-DC隔離電源。簡(jiǎn)潔的電路產(chǎn)生4路全橋驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào),無(wú)需隔離,實(shí)現(xiàn)了板上電源的緊湊設(shè)計(jì),提高了功率密度。對(duì)關(guān)鍵信號(hào)的產(chǎn)生進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,該電源電路簡(jiǎn)潔、高效、可靠,與IGBT半橋集成驅(qū)動(dòng)板達(dá)到了良好的結(jié)合。
關(guān)鍵詞 半橋驅(qū)動(dòng);IGBT;DC-DC;緊湊設(shè)計(jì)
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)
1.1 IGBT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+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。
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。[!--empirenews.page--]
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(mǎn)足:+15 V波動(dòng)<+1 V;-10 V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=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。
1.2.1 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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān),由于系統(tǒng)為+15 V單電源輸入,因此全橋開(kāi)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(mén)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),簡(jiǎn)化了控制電路,同時(shí)該全橋開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān),2組之間帶有死區(qū),具體的4路,驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)序要求如圖2所示。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(huà)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(duì)角的開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通,兩組對(duì)角交替開(kāi)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。
采用上述設(shè)計(jì),4路PWM時(shí)序必須嚴(yán)格按照?qǐng)D2所示產(chǎn)生。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(mǎn)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。
1.2.2 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(mǎn)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(kāi)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。[!--empirenews.page--]
1.3 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)?,全、橋電路?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(kāi)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(xiàn)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(guò)同相器和反相器,即可產(chǎn)生4路滿(mǎn)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(mǎn)足共用全橋拓?fù)涞目刂埔蟆?br />
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2 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(xiàn)圈兩端電壓,CH2為副邊線(xiàn)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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)足半橋集成驅(qū)動(dòng)電源的要求。
3 結(jié)束語(yǔ)
針對(duì)綠色能源設(shè)計(jì)需求,結(jié)合集成驅(qū)動(dòng)板具體使用條件,實(shí)現(xiàn)了DC-DC隔離電源高效、可靠設(shè)計(jì),并且易于和IGBT模塊集成,易于安裝。該電路以?xún)山M磁芯原邊繞組共用高頻全橋開(kāi)關(guān)的DC-DC隔離電源;生成4路無(wú)需隔離的全橋脈沖信號(hào),實(shí)現(xiàn)了高功率密度的板上電源的緊湊設(shè)計(jì)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該電源電路簡(jiǎn)潔、高效、可靠,達(dá)到了預(yù)期目的。