一种紧凑型全桥DC-DC隔离电源设计

摘要 针对半桥IGBT集成驱动板上隔离电源及驱动板负载的特点，设计了一种两组磁芯共用一组高频全桥开关的DC-DC隔离电源。简洁的电路产生4路全桥驱动脉冲信号，无需隔离，实现了板上电源的紧凑设计，提高了功率密度。对关键信号的产生进行了仿真实验，结果表明，该电源电路简洁、高效、可靠，与IGBT半桥集成驱动板达到了良好的结合。
关键词 半桥驱动；IGBT；DC-DC；紧凑设计

    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
1．1 IGBT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+15 V电源，输出为两组隔离的+15 V和-10 V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360 kHz，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。[!--empirenews.page--]
    全桥DC-DC电源参数为：输入+15 V；输出+15 V、-10 V；输出功率6 W；工作频率360 kHz。要求额定负载下动态特性、满足：+15 V波动<+1 V；-10 V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=748 pF；VDD=15 V；VT+=8．8 V；VT-=5．8 V。根据式(1)计算出振荡频率为748．792 kHz，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。
   
1．2．1 原边共用全桥控制的4路PWM信号产生
    传统的全桥DC-DC拓扑由4只相同的开关管组成，需要2路互反的PWM控制信号，每路PWM信号驱动对角的2只开关管，2路PWM信号要求有死区，避免全桥直通。全桥拓扑的上桥臂驱动必须隔离，否则无法完成正确驱动，隔离电路一般采用光耦或磁性器件实现，电路复杂、体积大。设计采用2个电源变压器原边绕组共用一个全桥开关，由于系统为+15 V单电源输入，因此全桥开关采用2片内含PMOS和NMOS的S14532ADY实现，此时PWM驱动脉冲无需隔离，即不用将全桥的上下臂驱动脉冲进行隔离，使用振荡电路的逻辑门进行驱动，简化了控制电路，同时该全桥开关为小体积的SO-8封装，实现了最小PCB设计。据此原理设计全桥开关需要4路PWM脉冲驱动，分为2组，每组内互反，驱动对角的PMOS和NMOS开关，2组之间带有死区，具体的4路，驱动脉冲时序要求如图2所示。G11、G2、G22、G1为4路PWM驱动，T1、T11为两个DC-DC电源变压器，此处只画出了原边绕组，C为隔直电容，能够有效地防止变压器磁芯饱和。可以看到，对角的开关同时导通，两组对角交替开关，两个变压器磁芯工作在I、Ⅲ工作象限，双向励磁，有利于实现高功率密度。

    采用上述设计，4路PWM时序必须严格按照图2所示产生。一般PWM驱动产生方法用MCU、DSP或专用IC产生，难以实现低成本和紧凑设计。文中对通用多谐振荡器电路进行改进，分别增加两个二极管、电阻及电容，即可输出满足上述要求的4路PWM驱动信号，简化了电源设计，提高了可靠性。
1．2．2 DC-DC电源变压器的选择及设计
    系统电源采用全桥驱动，磁芯工作在I、Ⅲ象限，驱动上要能够防止磁芯饱和，同时要求效率高、体积小。基于上述考虑，选用环形磁芯T10×6×5，材质为PC40，环形磁芯漏磁小、效率高。具体参数为：μi=2 400，Ae=9．8 mm2，Aw=28．2mm2，J=2A／mm2。系统工作状态为：ηB=90％，Km=0．1，fs=366 kHz，Bm=2 000 GS，根据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，理论计算表明，所选磁芯满足设计的功率要求。
    变压器匝数设计是根据式(2)和式(3)计算，其中μi为输入电压最小值，△Vce为额定电流下全桥回路开关管压降，Dmax=0．48；μo为输出电压额定值；△Vd为输出额定电流下全波整流二极管压降。理论计算原副边匝数为：原边Np=4．6匝，副边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)
实际调试结果为：原边p=6匝，副边Ns1=8匝，Ns2=5匝。[!--empirenews.page--]
1．3 带死区的4路互补PWM信号仿真
    两路DC-DC电源变压器原边共用全桥拓扑，全、桥电路的4路PWM信号是在多谐振荡器电路的基础上添加几个无源器件生成的，并且产生的两组驱动信号带有死区，能够有效防止全桥开关器件直通。电路的工作原理是：对通用多谐振荡器输出加以改进，使其充放电电容容量不同，产生2路充放电曲线略有差异的波形，这个差异就会在两组PWM波之间产生死区，再分别经过同相器和反相器，即可产生4路满足驱动要求的PWM脉冲。

    4路PWM生成电路的Saber仿真原理图及仿真结果如图3(a)和图3(b)所示。由仿真结果可以看出，4路PWM脉冲能够满足共用全桥拓扑的控制要求。
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2 实验结果
    图4(a)所示为实际全桥DC-DC电源变压器原边及副边绕组带载波形，其中CH1为原边线圈两端电压，CH2为副边线圈正电压。由于器件分散性，实际测试DC-DC电源工作频率为366 kHz，频率偏差为3．8％，满足设计要求。图4(b)所示为动态加载输出波形，其中CH1为输出正电压，CH2为输出负电压。测试时负载为35 Ω／10 W，可以看到突加突卸额定负载时输出正电压较平稳，波动<1 V，满足设计要求；负电压稍有波动，考虑到IGBT负压是用来维持关断状态，负压在-5～-15 V即可，因此满足半桥集成驱动电源的要求。

3 结束语
    针对绿色能源设计需求，结合集成驱动板具体使用条件，实现了DC-DC隔离电源高效、可靠设计，并且易于和IGBT模块集成，易于安装。该电路以两组磁芯原边绕组共用高频全桥开关的DC-DC隔离电源；生成4路无需隔离的全桥脉冲信号，实现了高功率密度的板上电源的紧凑设计。仿真和实验结果表明，该电源电路简洁、高效、可靠，达到了预期目的。