艾勝，陳玉林，王俊炎

(海軍工程大學(xué)，武漢 430033)

0 引言

在電力電子領(lǐng)域，中大功率IGBT應(yīng)用日趨廣泛，未來(lái)艦船電力系統(tǒng)中都需要大量應(yīng)用中高壓大功率IGBT[1]。IGBT驅(qū)動(dòng)器作為主電路與控制電路之間重要橋梁，直接關(guān)系著功率變換器的性能優(yōu)劣。一個(gè)理想的中大功率IGBT驅(qū)動(dòng)器必須能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能需求：1）減少I(mǎi)GBT模塊的開(kāi)通和關(guān)斷暫態(tài)過(guò)程中的損耗[2-3]。2）減少開(kāi)通過(guò)電流和關(guān)斷過(guò)電壓。3）限制由開(kāi)關(guān)過(guò)程導(dǎo)致的EMI。4）對(duì)IGBT故障狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并提供相應(yīng)的保護(hù)。

設(shè)計(jì)具有較高隔離能力的高壓隔離電源是高壓大功率IGBT驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文以FZ1500R33HL3型IGBT作為驅(qū)動(dòng)對(duì)象，重點(diǎn)研究了高隔離水平DC-DC開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法，并開(kāi)發(fā)了電壓等級(jí)為3300 V及以上等級(jí)的中大功率IGBT驅(qū)動(dòng)器電源。試驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)電源的有效性和可靠性，取得了較好的試驗(yàn)效果。

1 電源設(shè)計(jì)要求

電源設(shè)計(jì)的首要工作，就是明確設(shè)計(jì)要求。根據(jù)FZ1500R33HL3型IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，其門(mén)極充電量（Gate Charge）QG=42.0 μC，若開(kāi)關(guān)頻率fSW=2000 Hz,驅(qū)動(dòng)電壓U=±15 V的情況下，驅(qū)動(dòng)功率為：

式中ΔQ為門(mén)極充電電量QG，ΔU為IGBT門(mén)極電壓的變化，在這里為30 V，將參數(shù)的值代入可得PTOTAL=2.58 W。

FPGA、高速比較器、運(yùn)算放大器等元件的最大靜態(tài)損耗PQ可以用下式計(jì)算:

式中，IQ(MAX)為元件電源端口最大靜態(tài)偏置電流；VSUPPLY為元件電源電壓。可計(jì)算出各元件PQ之和大約為3 W。DC-DC開(kāi)關(guān)電源需提供的輸出功率必須滿(mǎn)足：POUT≥PTOTAL+PQ,即必須提供不小于5.58 W的輸出功率。

驅(qū)動(dòng)板的“地”和外接電源“地”存在的電位差高達(dá)數(shù)千伏，隔離電壓等級(jí)的確定，要根據(jù)所在系統(tǒng)的具體情況確定，對(duì)于額定電壓為6500 V的IGBT來(lái)說(shuō)，隔離電壓需要滿(mǎn)足：

DC-DC開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)可以采取很多結(jié)構(gòu)，比如正激、反激、推挽等。本文采用的是有源箝位反激式DC-DC開(kāi)關(guān)電源。此結(jié)構(gòu)適合5～150 W的應(yīng)用范圍，電能轉(zhuǎn)換效率高，占空比允許調(diào)節(jié)范圍大，最高可以到達(dá)80%，不存在長(zhǎng)期運(yùn)行后變壓器磁通不平衡的潛在危險(xiǎn)，比較適合作為功率較高的數(shù)字式驅(qū)動(dòng)器的隔離電源。

2 有源箝位反激式DC-DC開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

有源箝位反激式DC-DC開(kāi)關(guān)電源主電路如圖1所示。

圖2為開(kāi)關(guān)時(shí)序圖，反應(yīng)了磁化電流和箝位電容電壓的變化。主開(kāi)關(guān)管T1在t0時(shí)刻開(kāi)通t1時(shí)刻關(guān)斷，T2與T1的開(kāi)關(guān)信號(hào)互補(bǔ)。

在t0時(shí)刻，主開(kāi)關(guān)管T1導(dǎo)通，由于電阻R1取值較小，變壓器原邊近似為輸入電壓VIN，因此變壓器副邊電壓為：

因?yàn)殡娐方Y(jié)構(gòu)為反激式的，變壓器同名端反向，此時(shí)原邊電流僅為變壓器原邊電感Lm內(nèi)流過(guò)的磁化電流iM。磁化電流線性上升。開(kāi)關(guān)管T2截止，箝位電容沒(méi)有放電回路，所以充電電量將保持不變，此時(shí)充電電量為：

如果TS為開(kāi)關(guān)周期，那么這個(gè)階段持續(xù)的時(shí)間是：

在t1時(shí)刻，主開(kāi)關(guān)管T1關(guān)斷，復(fù)位開(kāi)關(guān)管T2開(kāi)通，磁化電流將流過(guò)箝位電容和復(fù)位開(kāi)關(guān)管T2，而不再流經(jīng)主開(kāi)關(guān)管T1。箝位電容充電后電壓VC高于VIN，變壓器原邊電壓反向。此時(shí)原邊電流應(yīng)包括磁化電流和負(fù)載電流反射到原邊的電流。其中磁化電流將線性減小，并將存儲(chǔ)在電感中的能量轉(zhuǎn)移至箝位電容和副邊負(fù)載中。箝位電容電壓會(huì)有所增加，當(dāng)磁化電流減至零時(shí)箝位電容電壓達(dá)到最大值。t2時(shí)刻磁化電流減為零，然后磁化電流開(kāi)始反向增加，箝位電容釋放能量，此時(shí)箝位電容將能量回饋至電感，同時(shí)也向負(fù)載側(cè)傳遞能量。t1～t2階段箝位電容獲得的能量等于t2之后釋放的能量才能使電路穩(wěn)定工作。當(dāng)磁化電流的幅值等于t1時(shí)刻的電流幅值時(shí)，且箝位電容等于最初的電勢(shì)時(shí)，本開(kāi)關(guān)周期結(jié)束，下一周期重復(fù)同樣的過(guò)程。在穩(wěn)定工作狀態(tài)，一個(gè)周期內(nèi)作用在變壓器原邊磁化電感兩端的伏秒積必須為零。當(dāng)主開(kāi)關(guān)管T1開(kāi)通，作用在變壓器原邊電感的電壓為VIN，如果T1導(dǎo)通占空比為D，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期為T(mén)S，那么在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)的伏秒積應(yīng)為VIN·D·TS。在主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，作用在變壓器原邊電感的壓降幅值為VC-VIN，持續(xù)的時(shí)間應(yīng)為T(mén)S·(1-D)。根據(jù)伏秒積平衡原理，下式必然成立：

可求出箝位電容的箝位電壓

式（7）就是式（4）中箝位電容存儲(chǔ)電荷量計(jì)算公式的根據(jù)。盡管在T2導(dǎo)通時(shí)間段內(nèi)箝位電容電壓稍有增加，計(jì)算時(shí)通常將箝位電容電壓被認(rèn)為不變。

本設(shè)計(jì)中，開(kāi)關(guān)管T1選用RF7473型功率MOSFET，其瞬態(tài)峰值電流IDM為55 A，T2選用IRF6216，其瞬態(tài)峰值電流IDM為19 A，MOSFET的PWM驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)由美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的LM5025產(chǎn)生。CS2為輸入到LM5025的軟啟動(dòng)保護(hù)信號(hào)，整個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，變壓器原邊的電流為i，電阻R1兩端電降u=i·R1，如果電壓u超過(guò)0.25 V，則LM5025進(jìn)行軟啟動(dòng)保護(hù)，限制過(guò)電流。LM5025必須在19 A以下進(jìn)行保護(hù)，因此本設(shè)計(jì)中電阻R1取值為0.017 ?。

有源箝位反激式DC-DC開(kāi)關(guān)電源一般采用純電容濾波，能夠滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)板對(duì)DC-DC電源穩(wěn)壓的要求，濾波電路如圖3所示。

濾波電路包括兩個(gè)容值較小的電容C1和C2，用于濾除高次諧波，C3和C4容值較大，用于濾除低次諧波。

3 有源箝位反激式 DC-DC開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)

在IGBT驅(qū)動(dòng)板上的DC-DC開(kāi)關(guān)電源中，變壓器發(fā)揮著重要作用。目前市面上的變壓器成品，基本都不能滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)板上的高隔離電壓的要求，必須按變壓器設(shè)計(jì)原則自行設(shè)計(jì)變壓器。

1) 高隔離電壓設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，首先重點(diǎn)考慮了變壓器的電壓隔離水平。有源箝位反激式DC-DC開(kāi)關(guān)電源的隔離作用主要由隔離變壓器實(shí)現(xiàn)，其原理圖如圖4所示。隔離變壓器由錳鋅（Mn-Zn）鐵氧體涂層環(huán)形磁芯和高壓絕緣導(dǎo)線構(gòu)成，兩根高壓絕緣導(dǎo)線分別繞制為變壓器的原邊P和副邊S。隔離變壓器可以通過(guò)增加原邊繞線和副邊繞線之間的距離d，使用耐壓水平高的高壓絕緣導(dǎo)線兩種方法來(lái)提高隔離水平。

2) 最大磁通變化及初級(jí)匝數(shù)的確定

本設(shè)計(jì)選用的磁環(huán)為B64290涂層環(huán)芯系列，外 徑 da = 35.5 mm,內(nèi) 徑di=19.2 mm,高 h=13.6 mm，橫截面積Ae=82.6 mm2，電感量每匝數(shù)平方AL=5460 nH。首先根據(jù)這些參數(shù)確定最大磁通變化及初級(jí)匝數(shù)。根據(jù)法拉第定律ΔB是最大磁通變化量，D是DC-DC開(kāi)關(guān)電源主管導(dǎo)通占空比，TS是開(kāi)關(guān)周期，Ae是磁環(huán)橫截面積，NP是變壓器原邊導(dǎo)線匝數(shù)，G是磁通單位高斯，式（8）中所有參數(shù)必須均使用國(guó)際單位。

根據(jù)計(jì)算，變壓器初級(jí)匝數(shù)設(shè)定為3匝，即NP=3，將NP=3，及其它參數(shù)值代入（8）式可以得到最大磁通變化量ΔB=1076 G。變壓器副邊繞線匝數(shù)需根據(jù)DC-DC電源輸入輸出傳遞函數(shù)的要求來(lái)選擇，為了計(jì)算簡(jiǎn)便，取NS=3。

3) 磁化電感、最大磁化電流及Cclamp計(jì)算

當(dāng)確定好變壓器初級(jí)匝數(shù)后，就可以確定變壓器原邊磁化電感的大小，磁化電感的大小是確定磁化電流及確定有源箝位反激式DC-DC開(kāi)關(guān)電源主電路中箝位電容Cclamp的重要依據(jù)。變壓器初級(jí)磁化電感可以按下式計(jì)算

μ為磁環(huán)磁性材料的磁導(dǎo)率，Ae為磁環(huán)橫截面積，L為磁環(huán)平均周長(zhǎng)，磁環(huán)參數(shù)中提供了變壓器初級(jí)磁化電感可以按下式計(jì)算μAe/L的等效參數(shù)AL，所以變壓器初級(jí)磁化電感可以按下式計(jì)算按下式計(jì)算更為方便

將AL=5460 nH, NP=3代入式（10），可得LM=49.1 μH。最大磁化電流IM可按下式計(jì)算:fS為DC-DC開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率，代入各參數(shù)取值可以得到變壓器原邊最大磁化電流IM=0.54 A。

根據(jù)磁化電感及其它已知參數(shù)，求出Cclamp的取值范圍:

代入各參數(shù)數(shù)值可以計(jì)算出Cclamp>24 nF。以上計(jì)算出的箝位電容Cclamp是在正激電路中的電容值。在反激式開(kāi)關(guān)電源中，能量傳遞過(guò)程發(fā)生在副管導(dǎo)通的過(guò)程中，箝位電容除了要存儲(chǔ)足夠的電能使磁化電流復(fù)位外，還需要向副邊傳遞電能，其電容值必須增大。經(jīng)過(guò)后期調(diào)試驗(yàn)證，采用0.33 F～1 μF的電容值時(shí)，箝位電壓才能保持穩(wěn)定，從而有穩(wěn)定的輸出電壓。

4) 變壓器繞線的選型

對(duì)于目前額定電壓為6500 V的IGBT來(lái)說(shuō)，隔離電壓需要滿(mǎn)足：VISO≥ 12.2 kV，所以本設(shè)計(jì)導(dǎo)線的隔離電壓為10 kV。下面重點(diǎn)介紹變壓器繞線線徑的確定。取繞線電流密度為常規(guī)的500圓密耳每有效安培時(shí)，初級(jí)變壓器繞組所需圓密耳數(shù)為500Irms, Irms為初級(jí)繞組電流有效值，因?yàn)樵边吚@線匝數(shù)相等，可以從輸出功率估算出原邊電流有效值。

開(kāi)關(guān)電源額定輸出電壓設(shè)定為由2式計(jì)算出驅(qū)動(dòng)板功耗的2.5倍，即POUT≈ 12 W,副邊額定輸出電壓為VOUT=12 V，則Irms=1 A,可以計(jì)算出初級(jí)繞組所需圓密耳為500，而1圓密耳=5.066 ×10-10 m2，換算后可以得出初級(jí)繞組橫截面積S=0.254 mm2。又導(dǎo)線直徑D為：

根據(jù)以上分析，本設(shè)計(jì)中變壓器繞線隔離電壓>10 kV，直徑D >0.56 mm。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證本文提出的中大功率IGBT數(shù)字驅(qū)動(dòng)器硬件制作的正確性及可行性，開(kāi)發(fā)了如圖5所示的實(shí)驗(yàn)板，并按圖6所示的試驗(yàn)電路進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試用IGBT為英飛凌公司的FZ1500R33HL3，其額定電流為1500 A，最大阻斷電壓為3300 V。

圖6為典型的BUCK電路，試驗(yàn)時(shí)在IGBT兩端施加2000V電壓，通過(guò)數(shù)字試驗(yàn)板向驅(qū)動(dòng)板發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)IGBT。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證有源箝位反激式DC-DC開(kāi)關(guān)電源中LM5025電路配置是否準(zhǔn)確、各參數(shù)和設(shè)計(jì)值是否存在偏差，輸出電源是否滿(mǎn)足要求。

試驗(yàn)測(cè)試了LM5025中OUT_A和OUT_B輸出的PWM驅(qū)動(dòng)脈沖、變壓器原邊和副邊電壓。

圖7所示為變壓器原邊電壓vTP波形。因?yàn)関TP為交流電壓，測(cè)量時(shí)需要一個(gè)電壓穩(wěn)定的參考點(diǎn)，所以測(cè)量結(jié)果是以圖1所示的O點(diǎn)為參考點(diǎn)時(shí)P點(diǎn)的電壓。由于變壓器同名端反向，所以圖7所示波形的正半波幅值就等于變壓器副邊輸出電壓Vclamp-VIN，而負(fù)半波幅值就等于DC-DC開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓?？梢钥吹?，在額定輸入電壓為24 V的條件下，Vclamp-VIN等于12 V，符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求。圖8所示波形中箝位電壓較平滑，未出現(xiàn)明顯畸變，說(shuō)明箝位電容Cclamp的取值適當(dāng)。而且通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，需用容值較大的箝位電容時(shí)，箝位電壓頂端會(huì)更加平滑。還可以觀察到，圖7電壓波形符合變壓器設(shè)計(jì)中的伏秒積平衡原理，初步證明說(shuō)明變壓器設(shè)計(jì)的正確性。圖8所示為變壓器副邊電壓vTS波形。測(cè)量結(jié)果是以圖1中驅(qū)動(dòng)板的“地”為參考點(diǎn)時(shí)S點(diǎn)的電壓。圖中正半波幅值為12 V，符合設(shè)計(jì)要求，負(fù)半波幅值平均值約為24 V，這符合變壓器原副邊繞線匝數(shù)之比為1的情況。值得注意的是，在變壓器副邊電壓中，負(fù)半波出現(xiàn)較大的尖峰電壓，其幅值為16 V。

在反激式DC-DC開(kāi)關(guān)電源的變壓器副邊，由于在主開(kāi)關(guān)管開(kāi)始導(dǎo)通的時(shí)候，變壓器副邊有較大的負(fù)載電流，這將產(chǎn)生窄而高的輸出電壓尖峰。在主管開(kāi)通之后，負(fù)載電流為零，并沒(méi)有很高的負(fù)載電流流過(guò)變壓器副邊，而且，在主管關(guān)斷的時(shí)候，也應(yīng)該存在同樣的電壓尖峰，但是實(shí)際中卻沒(méi)有。因此，可以得出結(jié)論，主開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的電壓尖峰應(yīng)該是由于整流電路中二極管反向截止過(guò)程中的反向峰值電壓。實(shí)驗(yàn)證明了所設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)板電源的有效性。

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