隔离型全桥DC-DC电源的设计方案

发布日期:2014-09-23 08:55,查看次数:1723

全桥结构在电路设计当中有着相当广泛的作用。本文介绍了一种基于全桥DC-DC的隔离电源设计。文中提及的半桥IGBT板为两组隔离的正负电压输出,这样做是为了能够成为IGBT的驱动及保护。并且在实践设计时,需要根据选择的IGBT开关管参数和工作频率,来确定驱动板电源功率。而后对原边共用全桥控制的DC-DC电源设计进行了介绍,给出了变压器的选择方法。

IGBT半桥集成驱动板电源特点

半桥IGBT的有效驱动和可靠保护都由半桥IGBT集成驱动板来实现。半桥IGBT 集成驱动板自身必须具备两路DC-DC隔离电源,该电源要求占用PCB面积小、体积紧凑、可靠性高,并且两组电源副边完全隔离。在大功率半桥IGBT集成驱动单元的项目中,针对驱动单元需要高效、可靠的隔离电源,设计了一种电源变压器原边控制拓扑,即两组隔离电源变压器原边共用一组全桥控制的思路,提高了电源功率密度和效率,节省了功率开关数量。全桥开关管巧妙搭配,无需隔离驱动,减少了占用集成驱动板上的PCB面积。

半桥IGBT集成驱动板在两路驱动上表现出负载特性一致的原因是,因为上下半桥当中两个单元IGBT的性能参数一致,并且采用同体封装。因此在IGBT半桥集成驱动板的电源设计中,两组隔离的DC-DC电源原边完全可以共用一组控制电路。IGBT半桥集成驱动板一般镶嵌在IGBT功率模块上,它对驱动板的要求有两个:第一是半桥集成驱动板对PCB面积、体积要求很高,要求尽可能减小PCB面积和体积;第二因为驱动IGBT需要的功率较大,对板上电源的功率密度、效率要求也较高。

原边共用全桥控制的DC-DC电源设计

本设计采用了两个变压器原边共用,也就是全桥电路控制DC-DC电源变压器。正常模式下两个全桥变换拓扑需要两组全桥开关,同时全桥开关的脉冲驱动电路也为两组共8路PWM脉冲。采用共用全桥拓扑节省了控制电路和全桥开关,简化了DC-DC隔离电源电路。由于该电源是给半桥IGBT驱动电路供电,负载稳定且可计算,因此全桥DC-DC电源采用开环控制,满足最大功率需求即可。电路原理如图1所示,该电源由4部分组成:4路PWM脉冲产生电路、全桥驱动开关、电源变压器及其副边整流滤波电路。DC-DC电源输入为单+15 V电源,输出为两组隔离的+15 V和-10 V双电源,采用负电源是为可靠地关断IGBT。

全桥1

图1 原边共用全桥电路的DC-DC原理图

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360 kHz,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+15 V、输出+15 V、-10 V、输出功率6 W、工作频率360 kHz。要求额定负载下动态特性、满足:+15 V波动<+1 V、-10 V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=748 pF、VDD=15 V、VT+=8.8 V、VT-=5.8 V。根据式(1)计算出振荡频率为748.792 kHz,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。

全桥2

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+15 V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。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。

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。


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