紧凑型全桥DC-DC隔离电源设计实例
扫描二维码
随时随地手机看文章
新型电力电子器件IGBT作为功率变换器的核心器件,其驱动和保护电路对变换器的可靠运行至关重要。集成驱动是一个具有完整功能的独立驱动板,具有安装方便、驱动高效、保护可靠等优点,是目前大、中功率IGBT驱动和保护的最佳方式。集成驱动一般包括板上DC-DC隔离电源、PWM信号隔离、功率放大、故障保护等4个功能电路,各功能电路之间互相配合,完成IGBT的驱动及保护。输入电源为板上原边各功能电路提供电源,两路DC-DC隔离电源输出分别驱动上、下半桥开关管,同时为IGBT侧故障检测和保护电路提供电源,因此集成驱动板上电源是所有电路工作的前提和基础。
文中的半桥IGBT集成驱动板需要两组隔离的正负电压输出,作为IGBT的驱动及保护电路电源。由IGBT的驱动特点可知,其负载特性类似于容性负载,要达到可靠、快速的开通或关断,就要求电源具有很好拉/灌电流能力,即良好的动态特性。半桥IGBT由上、下两路开关管组成,型号相同,导通、关断的驱动电压、电流特性一致,作为双路隔离DC-DC电源的负载,其负载特性是稳定的。因此可以设计两路隔离电源,按照所要驱动的最大负载设计,不需要进行反馈控制。实际设计时必须依据选用的IGBT开关管参数和工作频率,核算驱动板电源功率是否满足,若不满足,则需重新选用开关管。
1 IGBT半桥集成驱动板电源设计
1.1IGBT半桥集成驱动板电源特点
电力电子变换拓扑中,以半桥IGBT为基本单元进行的拓扑设计最为广泛,相应地对其有效驱动和可靠保护由半桥IGBT集成驱动板实现。半桥IGBT集成驱动板自身必须具备两路DC-DC隔离电源,该电源要求占用PCB面积小、体积紧凑、可靠性高,并且两组电源副边完全隔离。在大功率半桥IGBT集成驱动单元的项目中,针对驱动单元需要高效、可靠的隔离电源,设计了一种电源变压器原边控制拓扑,即两组隔离电源变压器原边共用一组全桥控制的思路,提高了电源功率密度和效率,节省了功率开关数量。全桥开关管巧妙搭配,无需隔离驱动,减少了占用集成驱动板上的PCB面积。
由于上下半桥的两个单元IGBT性能参数一致、同体封装,对半桥IGBT集成驱动板上两路驱动表现出的负载特性完全一致,因此在IGBT半桥集成驱动板的电源设计中,两组隔离的DC-DC电源原边完全可以共用一组控制电路。IGBT半桥集成驱动板一般镶嵌在IGBT功率模块上,它对驱动板要求有两个:第一是半桥集成驱动板对PCB面积、体积要求很高,要求尽可能小的PCB面积和体积;第二因为驱动IGBT需要的功率较大,对板上电源的功率密度、效率要求也较高。
1.2原边共用全桥控制的DC-DC电源设计
设计采用全桥电路控制DC-DC电源变压器,两个变压器原边共用一个全桥开关。正常模式下两个全桥变换拓扑需要两组全桥开关,同时全桥开关的脉冲驱动电路也为两组共8路PWM脉冲。采用共用全桥拓扑节省了控制电路和全桥开关,简化了DC-DC隔离电源电路。由于该电源是给半桥IGBT驱动电路供电,负载稳定且可计算,因此全桥DC-DC电源采用开环控制,满足最大功率需求即可。电路原理如图1所示,该电源由4部分组成:4路PWM脉冲产生电路、全桥驱动开关、电源变压器及其副边整流滤波电路。DC-DC电源输入为单+15V电源,输出为两组隔离的+15V和-10V双电源,采用负电源是为可靠地关断IGBT。
共用全桥开关的两组DC-DC隔离电源工作原理为:对角的开关管同时开通,另外一组对角已经关断,此时两组磁芯原边同时正反相激磁,副边耦合,再进行全波整流滤波后得到稳定的电源。设计全桥开关工作频率为360kHz,同时采用全波整流,因此副边不需要很大的滤波、储能元件,有利于实现DC-DC电源小型化。
全桥DC-DC电源参数为:输入+15V;输出+15V、-10V;输出功率6W;工作频率360kHz。要求额定负载下动态特性、满足:+15V波动<+1V;-10V波动<-2V;工作频率满足5%的偏差容限。其中工作频率由施密特触发器CD40106参数及RC数值决定。具体参数为:R=2.2kΩ;C=748pF;VDD=15V;VT+=8.8V;VT-=5.8V。根据式(1)计算出振荡频率为748.792kHz,因为设计中多谐振荡器输出对2路RC充放电,充电电容容量增大一倍,因此振荡频率为上述计算频率的1/2,即374.396kHz。