关于IGBT全桥逆变隔离驱动辅助电源的设计.doc
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1、关于IGBT全桥逆变隔离驱动辅助电源的设计0 引言近年来,随着电力电子技术的不断发展,特种电源技术也得到飞速发展。高压电源作为特种电源的一种,在医学、环境学、航空航天以及电信等领域也发挥着越来越重要的作用1-3。目前,大功率直流高压电源普遍采用全桥逆变电路实现低频交流向高频交流的转换,从而降低变压器的体积,提高电源效率。IGBT由于其兼备场效应管易于驱动、控制简单、开关频率高的优势与BJT双极型器件低饱和压降、容量大的特点,被广泛应用于大功率全桥逆变电路中。然而,IGBT存在关断电流拖尾现象4,处理不当很容易造成器件击穿。为了保证IGBT可靠关断,通常采用IGBT专用驱动模块,实现IGBT负压
2、关断,保证全桥逆变电路的安全运行。全桥逆变电路中,四个IGBT驱动电路不全共地,为了保证驱动电路工作的一致性,需要四组隔离电源分别为驱动电路供电。鉴于反激式开关电源具有电路拓扑简单,输入输出电气隔离、能够高效提供多路直流输出的特点,本文以单端反激变换器为主电路,采用峰值电流型PWM控制芯片UC3845设计了一种实用新型的11绕组,9路直流隔离输出的开关电源。1 辅助电源设计要求M57962L作为IGBT专用栅极驱动器5,模块采用正负双电源供电(+15 V与-10 V),图1为采用M57962L的IGBT驱动电路设计。为实现全桥电路四个IGBT专用驱动模块的隔离供电,辅助电源采用反激式开关稳压电
3、源设计,具体设计指标如下:(1)输入:220 V AC,电压波动20%;(2)输出:4路IGBT驱动隔离供电输出(+15 V/0.5 A,-10 V/0.5 A),1路控制电路供电输出(+12 V/1.5 A),1路辅助绕组输出(+15 V)用于PWM控制芯片供电,输出电流较小,参数计算可忽略。(3)工作频率:65 kHz;输出功率:68 W;工作效率85%。2 硬件电路设计反激式开关电源设计主要包括以下几个部分:EMI滤波与全波整流、RCD箝位吸收、高频变压器设计、环路反馈调节以及PWM控制芯片外围电路设计,下面进行详细阐述。2.1 硬件电路结构与工作原理图2为所设计的IGBT隔离驱动辅助电
4、源的整体电路图。上电后,220 V工频交流电经过EMI滤波、全波整流和滤波电容C3、C4后得到310 V左右的直流;310 V直流电通过启动电阻Rstart对电容C23充电,当电压上升至门槛电压(8.4 V)时,UC3845开始工作;然后由反馈绕组供电,电压维持在+15 V左右。+12 V输出绕组两端的电压通过PC817与TL431构成的环路补偿网络将输出电压反馈信号输入到UC3845的反馈端(VFB端)。UC3845根据副边输出电压反馈信号与原边输入电流采样信号调节PWM输出信号的占空比,从而实现开关电源的稳压输出。2.2 EMI滤波与全波整流开关电源在工作过程中,开关噪声的存在会对电网产生
5、电磁干扰,为减轻开关电源带来的电网高次谐波干扰,同时提高开关电源的抗干扰能力,电路设计中需要加入EMI滤波器6,7。2.3 RCD箝位电路设计由于变压器漏感的存在,使得开关管关断时,由漏感储能引起的电流突变会产生较大的关断电压尖峰,造成开关管击穿,因此需要设计箝位吸收电路对关断电压尖峰进行抑制,从而减小开关应力,保证开关电源的正常工作。箝位电路分有源箝位和无源箝位两种,两者各有利弊。无源箝位电路不需要驱动和控制电路,应用性强,成本低;有源箝位电路需要额外的驱动和控制电路,成本较高。综合两者的利弊,本设计采用RCD无源箝位吸收电路8,9,在保证电源效率和安全工作的基础上,实现关断电压尖峰的有效抑
6、制,减小了开关管的应力。2.4 高频变压器设计高频变压器10,11作为开关电源的关键部件,兼有储能、限流、隔离的作用。变压器设计中磁芯材料、参数、结构的正确选取对开关电源工作品质和性能的提高具有重要的促进作用。考虑到磁材工作频率、成本和效率等因素,基于铁氧体磁芯具有中高频损耗低、磁导率频率特性稳定以及成本低的特点,本设计选用铁氧体磁芯材料。下面对反激变压器的设计进行详细阐述。2.4.1 初级绕组电感在不考虑变压器漏感的情况下,变压器每个工作周期内传输的能量乘以工作频率即为输出功率Po:2.4.2 最小占空比计算当直流输入电压Ui最大时,开关管的占空比取得最小值,即:2.4.3 磁芯选择采用面积
7、乘积法对磁芯尺寸进行估计。当已知初级绕组的线径时,带绕组的磁芯所占的AP*值可以表示如下:查询常用铁氧体磁芯参数表,在保留一定裕量的条件下,EE40磁芯满足功率传输要求:Ae=1.27 cm2,Aw=1.78 cm2,AP=AeAw2.2 cm4AP。2.4.4 初次级绕组及辅助绕组匝数初级绕组匝数为:由于次级绕组为多路输出,考虑将最小输出电压10 V作为主输出进行计算,并假设次级整流二极管正向导通压降为0.7 V,则次级绕组匝数为其中,N10,N15,N12,Na分别为次级-10 V,+15 V,+12 V输出绕组与辅助绕组匝数。2.4.5 初次级绕组及辅助绕组线径计算绕组线径与绕组中流过的
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