紧凑型全桥DC-DC隔离电源设计

新型电力电子器件IGBT 作为功率变换器的核心器件，其驱动和保护电路对变换器的可靠运行至关重要。集成驱动是一个具有完整功能的独立驱动板，具有安装方便、驱动高效、保护可靠等优点，是目前大、中功率IGBT 驱动和保护的最佳方式。

　　集成驱动一般包括板上DC-DC 隔离电源、PWM 信号隔离、功率放大、故障保护等4 个功能电路，各功能电路之间互相配合，完成IGBT 的驱动及保护。输入电源为板上原边各功能电路提供电源，两路DC -DC 隔离电源输出分别驱动上、下半桥开关管，同时为IGBT 侧故障检测和保护电路提供电源，因此集成驱动板上电源是所有电路工作的前提和基础。

　　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. 1 IGBT 半桥集成驱动板电源特点

　　电力电子变换拓扑中，以半桥IGBT 为基本单元进行的拓扑设计最为广泛，相应地对其有效驱动和可靠保护由半桥IGBT 集成驱动板实现。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。

　　由于上下半桥的两个单元IGBT 性能参数一致、同体封装，对半桥IGBT 集成驱动板上两路驱动表现出的负载特性完全一致，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，要求尽可能小的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。

　　1. 2 原边共用全桥控制的DC-DC 电源设计

　　设计采用全桥电路控制DC-DC 电源变压器，两个变压器原边共用一个全桥开关。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.

　　图1 原边共用全桥的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《 - 2 V; 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. 2 kΩ； C =748 pF; VDD = 15 V; V T + = 8. 8 V; V T - = 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. 396 kHz。

　　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