新型電力電子器件IGBT作為功率變換器的核心器件，其驅動(dòng)和保護電路對變換器的可靠運行至關(guān)重要。集成驅動(dòng)是一個(gè)具有完整功能的獨立驅動(dòng)板，具有安裝方便、驅動(dòng)高效、保護可靠等優(yōu)點(diǎn)，是目前大、中功率IGBT驅動(dòng)和保護的最佳方式。集成驅動(dòng)一般包括板上DC-DC隔離電源、PWM信號隔離、功率放大、故障保護等4個(gè)功能電路，各功能電路之間互相配合，完成IGBT的驅動(dòng)及保護。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動(dòng)上、下半橋開(kāi)關(guān)管，同時(shí)為IGBT側故障檢測和保護電路提供電源，因此集成驅動(dòng)板上電源是所有電路工作的前提和基礎。

文中的半橋IGBT集成驅動(dòng)板需要兩組隔離的正負電壓輸出，作為IGBT的驅動(dòng)及保護電路電源。由IGBT的驅動(dòng)特點(diǎn)可知，其負載特性類(lèi)似于容性負載，要達到可靠、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，型號相同，導通、關(guān)斷的驅動(dòng)電壓、電流特性一致，作為雙路隔離DC-DC電源的負載，其負載特性是穩定的。因此可以設計兩路隔離電源，按照所要驅動(dòng)的最大負載設計，不需要進(jìn)行反饋控制。實(shí)際設計時(shí)必須依據選用的IGBT開(kāi)關(guān)管參數和工作頻率，核算驅動(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。

IGBT半橋集成驅動(dòng)板電源設計

1、IGBT半橋集成驅動(dòng)板電源特點(diǎn)

電力電子變換拓撲中，以半橋IGBT為基本單元進(jìn)行的拓撲設計最為廣泛，相應地對其有效驅動(dòng)和可靠保護由半橋IGBT集成驅動(dòng)板實(shí)現。半橋IGBT集成驅動(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集成驅動(dòng)單元的項目中，針對驅動(dòng)單元需要高效、可靠的隔離電源，設計了一種電源變壓器原邊控制拓撲，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，節省了功率開(kāi)關(guān)數量。全橋開(kāi)關(guān)管巧妙搭配，無(wú)需隔離驅動(dòng)，減少了占用集成驅動(dòng)板上的PCB面積。

由于上下半橋的兩個(gè)單元IGBT性能參數一致、同體封裝，對半橋IGBT集成驅動(dòng)板上兩路驅動(dòng)表現出的負載特性完全一致，因此在IGBT半橋集成驅動(dòng)板的電源設計中，兩組隔離的DC-DC電源原邊完全可以共用一組控制電路。IGBT半橋集成驅動(dòng)板一般鑲嵌在IGBT功率模塊上，它對驅動(dòng)板要求有兩個(gè)：第一是半橋集成驅動(dòng)板對PCB面積、體積要求很高，要求盡可能小的PCB面積和體積;第二因為驅動(dòng)IGBT需要的功率較大，對板上電源的功率密度、效率要求也較高。

2、原邊共用全橋控制的DC-DC電源設計

設計采用全橋電路控制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)全橋變換拓撲需要兩組全橋開(kāi)關(guān)，同時(shí)全橋開(kāi)關(guān)的脈沖驅動(dòng)電路也為兩組共8路PWM脈沖。采用共用全橋拓撲節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驅動(dòng)電路供電，負載穩定且可計算，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：對角的開(kāi)關(guān)管同時(shí)開(kāi)通，另外一組對角已經(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定的電源。設計全橋開(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、儲能元件，有利于實(shí)現DC-DC電源小型化。

全橋DC-DC電源參數為：輸入+15V、輸出+15V、-10V、輸出功率6W、工作頻率360kHz。要求額定負載下動(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CD40106參數及RC數值決定。具體參數為：R=2.2kΩ、C=748pF、VDD=15V、VT+=8.8V、VT-=5.8V。根據式(1)計算出振蕩頻率為748.792kHz，因為設計中多諧振蕩器輸出對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算頻率的1/2，即374.396kHz。

2.1 原邊共用全橋控制的4路PWM信號產(chǎn)生

傳統的全橋DC-DC拓撲由4只相同的開(kāi)關(guān)管組成，需要2路互反的PWM控制信號，每路PWM信號驅動(dòng)對角的2只開(kāi)關(guān)管，2路PWM信號要求有死區，避免全橋直通。全橋拓撲的上橋臂驅動(dòng)必須隔離，否則無(wú)法完成正確驅動(dòng)，隔離電路一般采用光耦或磁性器件實(shí)現，電路復雜、體積大。設計采用2個(gè)電源變壓器原邊繞組共用一個(gè)全橋開(kāi)關(guān)，由于系統為+15V單電源輸入，因此全橋開(kāi)關(guān)采用2片內含PMOS和NMOS的S14532ADY實(shí)現，此時(shí)PWM驅動(dòng)脈沖無(wú)需隔離，即不用將全橋的上下臂驅動(dòng)脈沖進(jìn)行隔離，使用振蕩電路的邏輯門(mén)進(jìn)行驅動(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)現了最小PCB設計。據此原理設計全橋開(kāi)關(guān)需要4路PWM脈沖驅動(dòng)，分為2組，每組內互反，驅動(dòng)對角的PMOS和NMOS開(kāi)關(guān)，2組之間帶有死區，具體的4路，驅動(dòng)脈沖時(shí)序要求如圖2所示。G11、G2、G22、G1為4路PWM驅動(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�，對角的開(kāi)關(guān)同時(shí)導通，兩組對角交替開(kāi)關(guān)，兩個(gè)變壓器磁芯工作在I、Ⅲ工作象限，雙向勵磁，有利于實(shí)現高功率密度。

采用上述設計，4路PWM時(shí)序必須嚴格按照圖2所示產(chǎn)生。一般PWM驅動(dòng)產(chǎn)生方法用MCU、DSP或專(zhuān)用IC產(chǎn)生，難以實(shí)現低成本和緊湊設計。文中對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驅動(dòng)信號，簡(jiǎn)化了電源設計，提高了可靠性。

2.2 DC-DC電源變壓器的選擇及設計

系統電源采用全橋驅動(dòng)，磁芯工作在I、Ⅲ象限，驅動(dòng)上要能夠防止磁芯飽和，同時(shí)要求效率高、體積小�；�于上述考慮，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。具體參數為：

理論計算表明，所選磁芯滿(mǎn)足設計的功率要求。

變壓器匝數設計是根據式(2)和式(3)計算，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。理論計算原副邊匝數為：原邊Np=4.6匝，副邊Ns1=5.8匝，Ns2=3.9匝。

實(shí)際調試結果為：原邊p=6匝，副邊Ns1=8匝，Ns2=5匝。 3、帶死區的4路互補PWM信號仿真

兩路DC-DC電源變壓器原邊共用全橋拓撲，全、橋電路的4路PWM信號是在多諧振蕩器電路的基礎上添加幾個(gè)無(wú)源器件生成的，并且產(chǎn)生的兩組驅動(dòng)信號帶有死區，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，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果如圖3(a)和圖3(b)所示。由仿真結果可以看出，4路PWM脈沖能夠滿(mǎn)足共用全橋拓撲的控制要求。

實(shí)驗結果

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)際測試DC-DC電源工作頻率為366kHz，頻率偏差為3.8%，滿(mǎn)足設計要求。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為輸出負電壓。測試時(shí)負載為35Ω/10W，可以看到突加突卸額定負載時(shí)輸出正電壓較平穩，波動(dòng)<1V，滿(mǎn)足設計要求;負電壓稍有波動(dòng)，考慮到IGBT負壓是用來(lái)維持關(guān)斷狀態(tài)，負壓在-5～-15V即可，因此滿(mǎn)足半橋集成驅動(dòng)電源的要求。

結束語(yǔ)

針對綠色能源設計需求，結合集成驅動(dòng)板具體使用條件，實(shí)現了DC-DC隔離電源高效、；靠設計，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，實(shí)現了高功率密度的板上電源的緊湊設計。仿真和實(shí)驗結果表明，該電源電路簡(jiǎn)潔、高效、可靠，達到了預期目的。