劉春權(quán) 馬海超 劉 冰 張海濤 易 榮

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寬適應(yīng)性驅(qū)動電源電路研究

劉春權(quán)1馬海超1劉 冰1張海濤2易 榮2

（1. 榮信匯科電氣技術(shù)有限責(zé)任公司，遼寧 鞍山 114051； 2. 夢網(wǎng)榮信科技集團(tuán)股份有限公司，遼寧 鞍山 114051）

本文研究并設(shè)計(jì)了一種寬適應(yīng)性的驅(qū)動電源電路。該電路由隔離式推挽電路和降壓電路組成?？梢詫⑤斎腚妷和ㄟ^隔離式推挽電路變換為兩路獨(dú)立的隔離輸出電壓，兩路隔離輸出電壓再分別經(jīng)過降壓電路變換為驅(qū)動系統(tǒng)所需的正負(fù)電壓值。該驅(qū)動電源電路具有輸入電壓范圍寬、輸出電壓穩(wěn)定、兩組輸出相互獨(dú)立、峰值功率大、隔離電壓高等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)實(shí)際測試證明，該驅(qū)動電源電路具有較寬的適應(yīng)性，可以應(yīng)用到大部分驅(qū)動系統(tǒng)。

驅(qū)動電源；電路；寬適應(yīng)性；隔離電壓

IGBT器件（絕緣柵雙極型晶體管）是一種MOSFET與雙極晶體管復(fù)合器件。既有功率MOSFET易于驅(qū)動、控制簡單、開關(guān)頻率高的優(yōu)點(diǎn)，又有功率晶體管的導(dǎo)通電壓低、通態(tài)電流大、損耗小的優(yōu)點(diǎn)。在智能電網(wǎng)、軌道交通、電動汽車與新能源裝備等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

IGBT在高壓大功率應(yīng)用場合時(shí)，對IGBT的驅(qū)動系統(tǒng)各方面有較高要求，如隔離耐壓、輸入電壓范圍、輸出功率、電磁兼容、應(yīng)對異常工況等方面。這對IGBT驅(qū)動系統(tǒng)，尤其是IGBT驅(qū)動電源提出了較高要求。

目前IGBT驅(qū)動電源的電路多為單級隔離無反饋拓?fù)?。其輸入電壓范圍較窄，一般僅為15±0.5V，如超出此范圍其IGBT驅(qū)動電壓的幅值將可能超出設(shè)計(jì)值。這種單級隔離無反饋拓?fù)銲GBT驅(qū)動電源，其輸出電流難以控制，如果IGBT門極發(fā)生短路或阻抗降低時(shí)，該驅(qū)動電源電路可能會工作異常，或出現(xiàn)不可逆的損壞。針對目前驅(qū)動電源存在的局限性，本文設(shè)計(jì)了一種寬輸入電壓范圍穩(wěn)壓輸出兩級型驅(qū)動電源電路。該電路具有輸入電壓范圍寬、輸出電壓穩(wěn)定、峰值輸出功率大、隔離電壓高等優(yōu)點(diǎn)，可滿足大部分驅(qū)動系統(tǒng)的需求，擴(kuò)大了驅(qū)動電源的應(yīng)用范圍，提高了IGBT驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)的適應(yīng)性。

1 驅(qū)動電源電路原理

1.1 原理框圖

圖1所示為兩級型驅(qū)動電源電路的原理框圖。隔離變壓器（T）將電路分為初級、次級兩部分電路。

圖1 兩級型驅(qū)動電源電路原理框圖

1.2 工作原理

圖1左側(cè)的初級電路部分由1、U1、U2、Q1、Q2、1、T組成。U2、Q1、Q2、1、T組成推挽電路，負(fù)責(zé)驅(qū)動變壓器T向次級電路提供能量；U1是一款低壓差線性穩(wěn)壓器，U1的輸出為U2供電，可以保障U2的VCC供電電壓保持平穩(wěn)，使該電源電路能夠適應(yīng)較寬的輸入電壓范圍；Q1、Q2是全控開關(guān)器件，兩個(gè)器件交替導(dǎo)通；1是電流采樣電阻，在采樣信號達(dá)到預(yù)定閾值時(shí)，Q1或Q2的驅(qū)動電平置低，以控制變壓器的傳輸電流；1為電源電路入口端濾波電容。

圖1右側(cè)的次級部分由整流濾波電路和降壓電路組成。其中V1、V2、V3、V4、2以及V6、V7、V8、V9、4分別組成橋式整流電路和濾波電路，為后級的降壓電路供電；U3、V5、1、3以及U4、V10、2、5分別組成降壓電路，降壓電路的核心控制芯片是U3、U4，通過檢測輸出電壓的幅值，控制占空比，以穩(wěn)定輸出電壓；兩個(gè)降壓電路的輸出側(cè)采用串聯(lián)的方式連接。

圖1中需要注意的是，該電路所采用的推挽電路拓?fù)渑c傳統(tǒng)的推挽電路拓?fù)洳煌撾娐匪捎玫耐仆祀娐吠負(fù)?，省略了次級濾波電感，使用變壓器T的漏感限流，這樣的電路形式需要根據(jù)工作頻率、變壓器T的漏感，以及次級側(cè)容性啟動需求來選擇Q1、Q2、1等元器件的參數(shù)。

由于變壓器T的漏感用普通的LCR電橋方法很難準(zhǔn)確測量，該變壓器T的漏感的測量方法如下：將變壓器T的次級短路，用方波發(fā)生器配合功率放大器，將方波施加在變壓器初級兩端（為避免變壓器飽和，需要串聯(lián)一個(gè)無極性電容器）。用示波器測量變壓器T初級繞組兩端的方波電壓，以及流過變壓器T初級繞組的電流的變化斜率，由此可求得變壓器T的漏感。變壓器T的漏感與初級繞組和次級繞組的相對位置關(guān)系較大，變壓器T的初級繞組和次級繞組分別繞制在相應(yīng)骨架上。由于骨架是由模具制造的，其空間相對位置的精度較高，便于控制變壓器T的漏感。設(shè)計(jì)該變壓器時(shí)，漏感值不宜過小，否則電流的變化斜率過大，會使開關(guān)損耗增加，功率變換效率降低。

圖1中，2、4左側(cè)的電路部分為第一級電路，2、4右側(cè)的電路部分為第二級電路。

2 寬適應(yīng)性驅(qū)動電源電路設(shè)計(jì)中需考慮的問題

2.1 輸入電壓范圍

驅(qū)動系統(tǒng)的輸入電壓一般為15V、24V，一般由開關(guān)電源供電。開關(guān)電源在輸入電壓變化、負(fù)載變化時(shí)，以及工作在較惡劣的電磁環(huán)境下，輸出電壓會出現(xiàn)一定的波動，再加上開關(guān)電源的輸出電壓精度一般為1%～2%，使驅(qū)動系統(tǒng)的供電電壓存在一定偏差。在穩(wěn)態(tài)工作的工況下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，驅(qū)動系統(tǒng)的供電電壓一般需要按照其額定值±3%～±5%的精度考慮。

除上述偏差外，還需要考慮驅(qū)動系統(tǒng)供電的開關(guān)電源在運(yùn)行過程中突然損壞，開關(guān)電源的輸出電壓逐漸下降，應(yīng)為總控制系統(tǒng)留出反應(yīng)時(shí)間以處理故障信息。這就需要驅(qū)動系統(tǒng)允許在較低輸入電壓下仍可以正常工作，一般以額定輸入電壓的80%～90%考慮。

2.2 輸出電壓穩(wěn)定程度

IGBT的驅(qū)動電壓幅值，對IGBT的功耗、過流允許時(shí)間、最大d/d都有較大影響，要求驅(qū)動電壓的幅值穩(wěn)定，不偏離設(shè)計(jì)值。

在2.1所述的輸入電壓范圍內(nèi)，從空載輸出到峰值功率輸出，輸出電壓的變化幅度一般不應(yīng)超過額定輸出電壓的2%，以保證驅(qū)動電壓幅值的穩(wěn)定。

當(dāng)驅(qū)動系統(tǒng)在驅(qū)動橋式電路的上管時(shí)，驅(qū)動系統(tǒng)地初、次級之間電壓頻繁快速變化，會在驅(qū)動系統(tǒng)中產(chǎn)生共模電流，驅(qū)動電源電路應(yīng)能夠耐受共模電流的干擾，避免輸出電壓出現(xiàn)超出設(shè)計(jì)值的波動。

2.3 峰值輸出功率

IGBT根據(jù)耐壓、最大允許電流以及開關(guān)頻率的不同，有的場合IGBT的驅(qū)動功率僅需0.5W，有的場合會需要5W，峰值功率需求可能會到8W，功率需求差異較大，驅(qū)動電源電路應(yīng)覆蓋大部分場合的IGBT驅(qū)動功率的需求。

為避免負(fù)載異常時(shí)輸出電流過大，驅(qū)動電源的輸出電流應(yīng)可以由降壓芯片控制。

2.4 絕緣強(qiáng)度

目前，IGBT最大的耐壓等級是6500V，型號有ABB品牌的5SNA0600J650100，5SNA0750J650300，infineon品牌的FZ200R65KF2，F(xiàn)Z250R65KE3等。適應(yīng)該類型IGBT的驅(qū)動系統(tǒng)，初次級間的隔離耐壓應(yīng)不低于6500×1.414+1000≈10200V AC。

3 解決方案

1）輸入電壓范圍

利用如圖1所示的兩級型驅(qū)動電源電路拓?fù)涞膬?yōu)勢，第一級的電路完成隔離的功能；用第二級的電路完成輸出穩(wěn)壓的功能。只要在設(shè)計(jì)第二級電路時(shí)，給其輸入留出充足的電壓范圍，即可擴(kuò)大第一級電路的輸入電壓范圍。

2）輸出電壓穩(wěn)定程度

驅(qū)動電源輸出電壓的穩(wěn)定，主要由圖1中U3、U4降壓芯片來保障。降壓芯片會包含有輸出電壓反饋引腳，在輸入電壓或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，降壓芯片可以通過調(diào)整內(nèi)置開關(guān)管的導(dǎo)通占空比，以穩(wěn)定輸出電壓。

為減少共模電流對驅(qū)動電源的影響，需要控制圖1中T的初次級的寄生電容，一般不宜超過30pF。

3）峰值輸出功率

圖1中的第一級電路和第二級路的輸出功率設(shè)計(jì)值，需要在8W的功率需求的基礎(chǔ)上留有裕量，一般設(shè)計(jì)取值宜大于10W。

最大輸出電流由降壓芯片控制，一般為額定功率的1.5倍左右。

4）絕緣強(qiáng)度

為盡量減小驅(qū)動電源初次級的寄生電容，也為了滿足絕緣強(qiáng)度的要求，需要在設(shè)計(jì)變壓器T的結(jié)構(gòu)時(shí)，保障初級與次級繞組之間留有較大間隙。必要時(shí)，還需要對變壓器T進(jìn)行灌膠處理，以提高絕緣性能。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)際設(shè)計(jì)的驅(qū)動電源電路的實(shí)物照片如圖2所示，其中左側(cè)是初級電路，中間是高壓隔離變壓器，右側(cè)的立板是次級電路。該驅(qū)動電源電路的輸入電壓范圍是11.5～18V。

圖2 驅(qū)動電源電路實(shí)物圖

4.1 不同輸入電壓、不同負(fù)載情況下，輸出電壓 測試

驅(qū)動電源分別在輸出0、2W、4W、8W負(fù)載時(shí)，分別在11.5～18V輸入電壓時(shí)，測量第一路15V，和第二路15V的輸出電壓。測試結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 第一路15V輸出電壓

圖4 第二路15V輸出電壓

單級隔離無反饋拓?fù)銲GBT驅(qū)動電源的輸出電壓會隨輸入電壓變化，而等比例變化。即圖3、圖4的11.5～18V輸入電壓變化會引起至少30%的輸出電壓變化。

如圖3、圖4所示，兩路15V輸出電壓在不同的負(fù)載下，在不同的輸入電壓下，輸出電壓穩(wěn)定，電壓變化幅度為0.05V，僅為額定15V輸出電壓的0.333%。測試結(jié)果明顯優(yōu)于單級型驅(qū)動電源

4.2 其中一路15V短路，對另一路15V的影響

為驗(yàn)證驅(qū)動電源電路兩個(gè)15V輸出部分的獨(dú)立性，采用短路其中一個(gè)15V輸出，觀察另一個(gè)15V輸出的變化。實(shí)測波形如圖5、圖6所示。

圖5 第一路15V短路再恢復(fù)波形圖

圖6 第二路15V短路再恢復(fù)波形圖

從圖5、圖6可以看出，其中一路15V輸出短路再恢復(fù)，對另一路15V輸出沒有影響。

4.3 峰值輸出功率下，容性啟動測試

驅(qū)動電源電路在峰值功率（8W×2）下，帶容性負(fù)載（4700mF×2）啟動，兩路15V輸出電壓啟動的波形如圖7所示。

圖7 峰值功率、容性啟動波形

圖7所示驅(qū)動電源電路的兩路15V輸出電壓波形，波形一致，且均為單調(diào)上升。驗(yàn)證了驅(qū)動電源電路具有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力。同時(shí)也驗(yàn)證了兩級型驅(qū)動電源的輸出電流控制能力。

4.4 絕緣強(qiáng)度測試

按照上文中2.4所述的絕緣試驗(yàn)電壓，對驅(qū)動電源進(jìn)行耐壓測試，絕緣耐壓測試結(jié)果見表1，測試結(jié)果合格。

表1 絕緣耐壓測試記錄

5 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的兩級型驅(qū)動電源電路，較傳統(tǒng)的單級型驅(qū)動電源具有輸入電壓范圍寬、輸出電壓穩(wěn)定、輸出最大電流可控等優(yōu)點(diǎn)，具有兩組輸出相互獨(dú)立互不影響的特點(diǎn)。并且在輸出功率、隔離電壓等方面，可以適應(yīng)大多數(shù)驅(qū)動系統(tǒng)的供電需求，具有較寬的適應(yīng)性。

[1] 沈同橋, 林渭勛. 絕緣柵晶體管(IGBT)驅(qū)動電路的研究[J]. 電氣自動化, 1993(5): 34-37.

[2] Gerhard Mitic, Guy Lefranc. Localization of electrical-insulation and partial-discharge failures of IGBT modules[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2002, 38(1): 175-180.

[3] 艾勝, 陳玉林, 王俊炎. 一種高壓隔離IGBT驅(qū)動器電源設(shè)計(jì)[J]. 船電技術(shù), 2013, 33(9): 1-4, 8.

[4] 黃先進(jìn), 蔣曉春, 葉斌, 等. 智能化IGBT驅(qū)動電路研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2005, 20(4): 89-93.

[5] 許弟華. IGBT以及IPM驅(qū)動電源的拓?fù)溲芯縖J]. 變頻器世界, 2014(12): 54-56.

[6] 劉虹伶, 劉明宇. 一種脈沖變壓器隔離的IGBT驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)研究[J]. 電氣技術(shù), 2017, 18(3): 94-96.

[7] 唐勇, 汪波, 陳明, 等. 高溫下的IGBT可靠性與在線評估[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2014, 29(6): 17-23.

[8] 寧紅英, 孫旭霞, 楊媛. 一種基于di/d反饋控制的大功率IGBT驅(qū)動保護(hù)方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(5): 33-41.

[9] 范偉, 曹超, 鐘強(qiáng), 等. 基于電壓負(fù)反饋的IGBT雙路驅(qū)動電源設(shè)計(jì)[J]. 大功率變流技術(shù), 2013(2): 13-16.

[10] 王博. 新型多路輸出高壓隔離IGBT驅(qū)動電源[J]. 電源世界, 2015(10): 25-28.

[11] 謝舜蒙, 楊光, 歐陽柳, 等. 基于電磁隔離的1.7kV IGBT驅(qū)動器[J]. 大功率變流技術(shù), 2015(2): 44-46, 61.

[12] 謝穩(wěn). 基于能源變換IGBT應(yīng)用技術(shù)研究[J]. 科技風(fēng), 2017(19): 219.

[13] 張成, 胡亮燈. 中高壓大功率IGBT驅(qū)動器有源箝位技術(shù)研究[J]. 電力電子技術(shù), 2017, 51(7): 51-55.

[14] 黨青, 馮靜波, 鄧衛(wèi)華. MMC子模塊中IGBT的過熱失效機(jī)理研究[J]. 智能電網(wǎng), 2017, 5(7): 711-716.

Research on wide adaptable drive power supply circuit

Liu Chunquan1Ma Haichao1Liu Bing1Zhang Haitao2Yi Rong2

(1. Rongxin Huiko Electric Technology Co., Ltd, Anshan, Liaoning 114051; 2. Montnets RongXin Technology Group Co., Ltd, Anshan, Liaoning 114051)

This is to research and design a drive power circuit with wide adaptability. The circuit consists of isolated push-pull circuit and step-down circuit, which can convert the input voltage by the isolated push-pull circuit into two independent isolated output voltage, and these two independent isolated output voltage will be converted by step-down circuit into the positive and negative voltage value required by the drive system. This drive power circuit has the advantages of wide input voltage range, stable output voltage, two independent sets of output, high peak power and high isolation voltage. The actual test shows that the drive power circuit has a wide adaptability and can be applied to most drive systems.

drive power; circuit; wide adaptability; isolation voltage

2018-01-05

劉春權(quán)（1982-），男，工程師，主要從事柔性直流輸電系統(tǒng)的控制和仿真研究工作。

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2016YFB0901003）