中心議題：

• 探究一種緊湊型全橋DC-DC隔離電源設計
• IGBT半橋集成驅動板電源特點

解決方案：

• 係統電源采用全橋驅動
• 原邊共用全橋控製的DC-DC電源設計

• 以兩組磁芯原邊繞組共用高頻全橋開關

新型電力電子器件IGBT作(zuo)為(wei)功(gong)率(lv)變(bian)換(huan)器(qi)的(de)核(he)心(xin)器(qi)件(jian)，其(qi)驅(qu)動(dong)和(he)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)對(dui)變(bian)換(huan)器(qi)的(de)可(ke)靠(kao)運(yun)行(xing)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。集(ji)成(cheng)驅(qu)動(dong)是(shi)一(yi)個(ge)具(ju)有(you)完(wan)整(zheng)功(gong)能(neng)的(de)獨(du)立(li)驅(qu)動(dong)板(ban)，具(ju)有(you)安(an)裝(zhuang)方(fang)便(bian)
、驅動高效、保護可靠等優點，是目前大
、中功率IGBT驅動和保護的最佳方式。集成驅動一般包括板上DC-DC隔離電源
、PWM信號隔離
、功率放大
、故障保護等4個功能電路
，各功能電路之間互相配合，完成IGBT的驅動及保護。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上、下半橋開關管，同時為IGBT側故障檢測和保護電路提供電源
，因此集成驅動板上電源是所有電路工作的前提和基礎。

文中的半橋IGBT集成驅動板需要兩組隔離的正負電壓輸出
，作為IGBT的驅動及保護電路電源。由IGBT的驅動特點可知
，其負載特性類似於容性負載
，要達到可靠、快速的開通或關斷
，就要求電源具有很好拉／灌電流能力，即良好的動態特性。半橋IGBT由上、下兩路開關管組成，型號相同
，導通、關斷的驅動電壓、電流特性一致，作為雙路隔離DC-DC電(dian)源(yuan)的(de)負(fu)載(zai)，其(qi)負(fu)載(zai)特(te)性(xing)是(shi)穩(wen)定(ding)的(de)。因(yin)此(ci)可(ke)以(yi)設(she)計(ji)兩(liang)路(lu)隔(ge)離(li)電(dian)源(yuan)
，按(an)照(zhao)所(suo)要(yao)驅(qu)動(dong)的(de)最(zui)大(da)負(fu)載(zai)設(she)計(ji)，不(bu)需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)反(fan)饋(kui)控(kong)製(zhi)。實(shi)際(ji)設(she)計(ji)時(shi)必(bi)須(xu)依(yi)據(ju)選(xuan)用(yong)的(de)IGBT開關管參數和工作頻率，核算驅動板電源功率是否滿足，若不滿足，則需重新選用開關管。

1 IGBT半橋集成驅動板電源設計

1．1 IGBT半橋集成驅動板電源特點

電力電子變換拓撲中，以半橋IGBT為基本單元進行的拓撲設計最為廣泛，相應地對其有效驅動和可靠保護由半橋IGBT集成驅動板實現。半橋IGBT集成驅動板自身必須具備兩路DC-DC隔離電源，該電源要求占用PCB麵積小、體積緊湊、可靠性高，並且兩組電源副邊完全隔離。在大功率半橋IGBT集成驅動單元的項目中，針對驅動單元需要高效、kekaodegelidianyuan，shejileyizhongdianyuanbianyaqiyuanbiankongzhituopu
，jiliangzugelidianyuanbianyaqiyuanbiangongyongyizuquanqiaokongzhidesilu，tigaoledianyuangonglvmiduhexiaolv

，jieshenglegonglvkaiguanshuliang。quanqiaokaiguanguanqiaomiaodapei，wuxugeliqudong
，jianshaolezhanyongjichengqudongbanshangdePCB麵積。

由於上下半橋的兩個單元IGBT性能參數一致
、同體封裝，對半橋IGBT集成驅動板上兩路驅動表現出的負載特性完全一致，因此在IGBT半橋集成驅動板的電源設計中，兩組隔離的DC-DC電源原邊完全可以共用一組控製電路。IGBT半橋集成驅動板一般鑲嵌在IGBT功率模塊上
，它對驅動板要求有兩個：第一是半橋集成驅動板對PCB麵積、體積要求很高，要求盡可能小的PCB麵積和體積


；第二因為驅動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。

1．2 原邊共用全橋控製的DC-DC電源設計

設計采用全橋電路控製DC-DCdianyuanbianyaqi，lianggebianyaqiyuanbiangongyongyigequanqiaokaiguan。zhengchangmoshixialianggequanqiaobianhuantuopuxuyaoliangzuquanqiaokaiguan，tongshiquanqiaokaiguandemaichongqudongdianluyeweiliangzugong8路PWM脈衝。采用共用全橋拓撲節省了控製電路和全橋開關
，簡化了DC-DC隔離電源電路。由於該電源是給半橋IGBT驅動電路供電

，負載穩定且可計算，因此全橋DC-DC電源采用開環控製，滿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脈衝產生電路、全橋驅動開關、電源變壓器及其副邊整流濾波電路。DC-DC電源輸入為單+15 V電源
，輸出為兩組隔離的+15 V和-10 V雙電源
，采用負電源是為可靠地關斷IGBT。  
共用全橋開關的兩組DC-DC隔離電源工作原理為：對(dui)角(jiao)的(de)開(kai)關(guan)管(guan)同(tong)時(shi)開(kai)通(tong)
，另(ling)外(wai)一(yi)組(zu)對(dui)角(jiao)已(yi)經(jing)關(guan)斷(duan)，此(ci)時(shi)兩(liang)組(zu)磁(ci)芯(xin)原(yuan)邊(bian)同(tong)時(shi)正(zheng)反(fan)相(xiang)激(ji)磁(ci)
，副(fu)邊(bian)耦(ou)合(he)
，再(zai)進(jin)行(xing)全(quan)波(bo)整(zheng)流(liu)濾(lv)波(bo)後(hou)得(de)到(dao)穩(wen)定(ding)的(de)電(dian)源(yuan)。設(she)計(ji)全(quan)橋(qiao)開(kai)關(guan)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)為(wei)360 kHz，同時采用全波整流，因此副邊不需要很大的濾波
、儲能元件，有利於實現DC-DC電源小型化。
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全橋DC-DC電源參數為：輸入+15 V；輸出+15 V、-10 V；輸出功率6 W；工作頻率360 kHz。要求額定負載下動態特性、滿足：+15 V波動<+1 V
；-10 V波動<-2V；工作頻率滿足5％的偏差容限。其中工作頻率由施密特觸發器CD40106參數及RC數值決定。具體參數為：R=2．2kΩ；C=748 pF；VDD=15 V；VT+=8．8 V
；VT-=5．8 V。根據式(1)計算出振蕩頻率為748．792 kHz，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。

1．2．1 原邊共用全橋控製的4路PWM信號產生

傳統的全橋DC-DC拓撲由4隻相同的開關管組成，需要2路互反的PWM控製信號，每路PWM信號驅動對角的2隻開關管
，2路PWM信xin號hao要yao求qiu有you死si區qu，避bi免mian全quan橋qiao直zhi通tong。全quan橋qiao拓tuo撲pu的de上shang橋qiao臂bi驅qu動dong必bi須xu隔ge離li
，否fou則ze無wu法fa完wan成cheng正zheng確que驅qu動dong，隔ge離li電dian路lu一yi般ban采cai用yong光guang耦ou或huo磁ci性xing器qi件jian實shi現xian
，電dian路lu複fu雜za
、體積大。設計采用2個電源變壓器原邊繞組共用一個全橋開關，由於係統為+15 V單電源輸入

，因此全橋開關采用2片內含PMOS和NMOS的S14532ADY實現，此時PWM驅qu動dong脈mai衝chong無wu需xu隔ge離li
，即ji不bu用yong將jiang全quan橋qiao的de上shang下xia臂bi驅qu動dong脈mai衝chong進jin行xing隔ge離li，使shi用yong振zhen蕩dang電dian路lu的de邏luo輯ji門men進jin行xing驅qu動dong
，簡jian化hua了le控kong製zhi電dian路lu

，同tong時shi該gai全quan橋qiao開kai關guan為wei小xiao體ti積ji的deSO-8封裝
，實現了最小PCB設計。據此原理設計全橋開關需要4路PWM脈衝驅動，分為2組，每組內互反，驅動對角的PMOS和NMOS開關，2組之間帶有死區，具體的4路
，驅動脈衝時序要求如圖2所示。G11、G2
、G22、G1為4路PWM驅動，T1、T11為兩個DC-DC電源變壓器，此處隻畫出了原邊繞組
，C為隔直電容，能夠有效地防止變壓器磁芯飽和。可以看到，對角的開關同時導通，兩組對角交替開關，兩個變壓器磁芯工作在I
、Ⅲ工作象限，雙向勵磁，有利於實現高功率密度。  
采用上述設計，4路PWM時序必須嚴格按照圖2所示產生。一般PWM驅動產生方法用MCU、DSP或專用IC產生
，難以實現低成本和緊湊設計。文中對通用多諧振蕩器電路進行改進，分別增加兩個二極管、電阻及電容，即可輸出滿足上述要求的4路PWM驅動信號，簡化了電源設計


，提高了可靠性。

1．2．2 DC-DC電源變壓器的選擇及設計

係統電源采用全橋驅動，磁芯工作在I
、Ⅲ象限，驅動上要能夠防止磁芯飽和，同時要求效率高、體積小。基於上述考慮
，選用環形磁芯T10×6×5，材質為PC40
，環形磁芯漏磁小
、效率高。具體參數為：μi=2 400，Ae=9．8 mm2，Aw=28．2mm2，J=2A／mm2。係統工作狀態為：ηB=90％，Km=0．1

，fs=366 kHz

，Bm=2 000 GS，根據P0=Ae×Aw×2×fs×Bm×J×ηB×Km×10-6。得出P0=9．8×10-2×28．2 x 10-2×2×366×103×2 000 x 2×0．9×0．1×10-6=7．3 W，理論計算表明，所選磁芯滿足設計的功率要求。

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關管壓降，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。

Np=[(μi-△Vce)×Dmax]／(2△B×Ae×fs) (2)

Np=[(μo-△Vd)×(1-Dmax)]／(2△B×Ae×fs) (3)

實際調試結果為：原邊p=6匝
，副邊Ns1=8匝，Ns2=5匝。
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1．3 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PWMxinhaoshizaiduoxiezhendangqidianludejichushangtianjiajigewuyuanqijianshengchengde，bingqiechanshengdeliangzuqudongxinhaodaiyousiqu
，nenggouyouxiaofangzhiquanqiaokaiguanqijianzhitong。dianludegongzuoyuanlishi：對通用多諧振蕩器輸出加以改進，使其充放電電容容量不同

，產生2路充放電曲線略有差異的波形，這個差異就會在兩組PWM波之間產生死區，再分別經過同相器和反相器，即可產生4路滿足驅動要求的PWM脈衝。  
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脈衝能夠滿足共用全橋拓撲的控製要求。

2 實驗結果

圖4(a)所示為實際全橋DC-DC電源變壓器原邊及副邊繞組帶載波形，其中CH1為原邊線圈兩端電壓，CH2為副邊線圈正電壓。由於器件分散性，實際測試DC-DC電源工作頻率為366 kHz，頻率偏差為3．8％，滿足設計要求。圖4(b)所示為動態加載輸出波形，其中CH1為輸出正電壓
，CH2為輸出負電壓。測試時負載為35 Ω／10 W，可以看到突加突卸額定負載時輸出正電壓較平穩，波動<1 V，滿足設計要求
；負電壓稍有波動，考慮到IGBT負壓是用來維持關斷狀態
，負壓在-5～-15 V即可
，因此滿足半橋集成驅動電源的要求。  
3 結束語

針對綠色能源設計需求
，結合集成驅動板具體使用條件
，實現了DC-DC隔離電源高效、可靠設計，並且易於和IGBT模塊集成

，易於安裝。該電路以兩組磁芯原邊繞組共用高頻全橋開關的DC-DC隔離電源；生成4路無需隔離的全橋脈衝信號，實現了高功率密度的板上電源的緊湊設計。仿真和實驗結果表明，該電源電路簡潔、高效
、可靠，達到了預期目的。