电路设计论坛
直播中

胡锴

12年用户 3073经验值
擅长:可编程逻辑 模拟技术 控制/MCU RF/无线
私信 关注

紧凑型全桥DC-DC隔离电源设计实例

` 本帖最后由 gk320830 于 2015-3-8 09:51 编辑

文中的半桥IGBT集成驱动板需要两组隔离的正负电压输出,作为IGBT的驱动及保护电路电源。由IGBT的驱动特点可知,其负载特性类似于容性负载,要达到可靠、快速的开通或关断,就要求电源具有很好拉/灌电流能力,即良好的动态特性。半桥IGBT由上、下两路开关管组成,型号相同,导通、关断的驱动电压、电流特性一致,作为双路隔离DC-DC电源的负载,其负载特性是稳定的。因此可以设计两路隔离电源,按照所要驱动的最大负载设计,不需要进行反馈控制。实际设计时必须依据选用的IGBT开关管参数和工作频率,核算驱动板电源功率是否满足,若不满足,则需重新选用开关管。
1 IGBT半桥集成驱动板电源设计
1.1IGBT半桥集成驱动板电源特点
1.2原边共用全桥控制的DC-DC电源设计
共用全桥开关的两组DC-DC隔离电源工作原理为:对角的开关管同时开通,另外一组对角已经关断,此时两组磁芯原边同时正反相激磁,副边耦合,再进行全波整流滤波后得到稳定的电源。设计全桥开关工作频率为360kHz,同时采用全波整流,因此副边不需要很大的滤波、储能元件,有利于实现DC-DC电源小型化。
全桥DC-DC电源参数为:输入+15V;输出+15V、-10V;输出功率6W;工作频率360kHz。要求额定负载下动态特性、满足:+15V波动<+1V;-10V波动<-2V;工作频率满足5%的偏差容限。其中工作频率由施密特触发器CD40106参数及RC数值决定。具体参数为:R=2.2kΩ;C=748pF;VDD=15V;VT+=8.8V;VT-=5.8V。根据式(1)计算出振荡频率为748.792kHz,因为设计中多谐振荡器输出对2路RC充放电,充电电容容量增大一倍,因此振荡频率为上述计算频率的1/2
-
,即374.396kHz。

1.2.1原边共用全桥控制的4路PWM信号产生
传统的全桥DC-DC拓扑由4只相同的开关管组成,需要2路互反的PWM控制信号,每路PWM信号驱动对角的2只开关管,2路PWM信号要求有死区,避免全桥直通。全桥拓扑的上桥臂驱动必须隔离,否则无法完成正确驱动,隔离电路一般采用光耦或磁性器件实现,电路复杂、体积大。设计采用2个电源变压器原边绕组共用一个全桥开关,由于系统为+15V单电源输入,因此全桥开关采用2片内含PMOS和NMOS的S14532ADY实现,此时PWM驱动脉冲无需隔离,即不用将全桥的上下臂驱动脉冲进行隔离,使用振荡电路的逻辑门进行驱动,简化了控制电路,同时该全桥开关为小体积的SO-8封装,实现了最小PCB设计。据此原理设计全桥开关需要4路PWM脉冲驱动,分为2组,每组内互反,驱动对角的PMOS和NMOS开关,2组之间带有死区,具体的4路,驱动脉冲时序要求如图2所示。G11、G2、G22、G1为4路PWM驱动,T1、T11为两个DC-DC电源变压器,此处只画出了原边绕组,C为隔直电容,能够有效地防止变压器磁芯饱和。可以看到,对角的开关同时导通,两组对角交替开关,两个变压器磁芯工作在I、Ⅲ工作象限,双向励磁,有利于实现高功率密度。

采用上述设计,4路PWM时序必须严格按照图2所示产生。一般PWM驱动产生方法用MCU、DSP或专用IC产生,难以实现低成本和紧凑设计。文中对通用多谐振荡器电路进行改进,分别增加两个二极管、电阻及电容,即可输出满足上述要求的4路PWM驱动信号,简化了电源设计,提高了可靠性。
1.2.2DC-DC电源变压器的选择及设计
系统电源采用全桥驱动,磁芯工作在I、Ⅲ象限,驱动上要能够防止磁芯饱和,同时要求效率高、体积小。基于上述考虑,选用环形磁芯T10×6×5,材质为PC40,环形磁芯漏磁小、效率高。具体参数为:μi=2400,Ae=9.8mm2,Aw=28.2mm2,J=2A/mm2。系统工作状态为:ηB=90%,Km=0.1,fs=366kHz,Bm=2000GS,根据P0=Ae×Aw×2×fs×Bm×J×ηB×Km×10-6。得出P0=9.8×10-2×28.2x10-2×2×366×103×2000x2×0.9×0.1×10-6=7.3W,理论计算表明,所选磁芯满足设计的功率要求。
变压器匝数设计是根据式(2)和式(3)计算,其中μi为输入电压最小值,△Vce为额定电流下全桥回路开关管压降,Dmax=0.48;μo为输出电压额定值;△Vd为输出额定电流下全波整流二极管压降。理论计算原副边匝数为:原边Np=4.6匝,副边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)
实际调试结果为:原边p=6匝,副边Ns1=8匝,Ns2=5匝。
1.3带死区的4路互补PWM信号仿真
两路DC-DC电源变压器原边共用全桥拓扑,全、桥电路的4路PWM信号是在多谐振荡器电路的基础上添加几个无源器件生成的,并且产生的两组驱动信号带有死区,能够有效防止全桥开关器件直通。电路的工作原理是:对通用多谐振荡器输出加以改进,使其充放电电容容量不同,产生2路充放电曲线略有差异的波形,这个差异就会在两组PWM波之间产生死区,再分别经过同相器和反相器,即可产生4路满足驱动要求的PWM脉冲。

4路PWM生成电路的Saber仿真原理图及仿真结果如图3(a)和图3(b)所示。由仿真结果可以看出,4路PWM脉冲能够满足共用全桥拓扑的控制要求。
2 实验结果


图4(a)所示为实际全桥DC-DC电源变压器原边及副边绕组带载波形,其中CH1为原边线圈两端电压,CH2为副边线圈正电压。由于器件分散性,实际测试DC-DC电源工作频率为366kHz,频率偏差为3.8%,满足设计要求。图4(b)所示为动态加载输出波形,其中CH1为输出正电压,CH2为输出负电压。测试时负载为35Ω/10W,可以看到突加突卸额定负载时输出正电压较平稳,波动<1V,满足设计要求;负电压稍有波动,考虑到IGBT负压是用来维持关断状态,负压在-5~-15V即可,因此满足半桥集成驱动电源的要求。
3 结束语

针对绿色能源设计需求,结合集成驱动板具体使用条件,实现了DC-DC隔离电源高效、可靠设计,并且易于和IGBT模块集成,易于安装。该电路以两组磁芯原边绕组共用高频全桥开关的DC-DC隔离电源;生成4路无需隔离的全桥脉冲信号,实现了高功率密度的板上电源的紧凑设计。仿真和实验结果表明,该电源电路简洁、高效、可靠,达到了预期目的。

` 谢谢.jpg

回帖(9)

桑旺兴

2012-10-30 22:20:38
本帖最后由 gk320830 于 2015-3-8 09:51 编辑

{:soso_e181:}顶。。。

举报

雷检

2012-10-31 14:08:33
顶{:soso_e113:}
举报

李仲元

2012-10-31 19:22:47
{:soso_e179:}
举报

h1654155746.6690

2012-10-31 20:33:02
受到警告
提示: 作者被禁止或删除 内容自动屏蔽
举报

单轨暗号

2012-11-19 11:20:29
顶 啊 ,呵呵
举报

单轨暗号

2012-11-19 11:26:44
很好啊,学习了
举报

潘铭辉

2013-1-16 09:41:39
受教育了!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
举报

汪挺

2013-1-24 12:27:03
不错的资料
举报

tangxiantong

2013-4-19 13:09:44
{:3:}{:3:}
举报

更多回帖

相关帖子

电子器件
发帖
登录/注册
×
20
完善资料,
赚取积分