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紧凑型全桥DC/DC隔离电源设计

2013-04-22 08:52
汉水狂客
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  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.

紧凑型全桥DC/DC隔离电源设计

图1 原边共用全桥的DC-DC 原理图

  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。

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