紧凑型全桥DC-DC隔离电源设计

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SI4532ADY 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。

　　图2 DC-DC 全桥控制原理

　　1. 2. 2 DC-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 = 2 400，Ae = 9. 8 mm2，Aw = 28. 2 mm2，J =2A / mm2.系统工作状态为： ηB = 90%，Km = 0. 1，fs = 366 kHz，Bm = 2 000 GS，根据PO = Ae × Aw × 2 ×fs × Bm × J × ηB × Km × 10 - 6 得出PO = 9. 8 × 10 - 2 ×28. 2 × 10 - 2 × 2 × 366 × 103 × 2 000 × 2 × 0. 9 × 0. 1 ×10 - 6 = 7. 3 W，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，ΔVce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；ΔVd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。

　　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。

　　图3 Saber 仿真原理结果图

　　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366 kHz，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35 Ω/10 W，可以看到突加突卸额定负载时输出正电压较平稳，波动《 1 V，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 ~ - 15 V 即可，因此满足半桥集成驱动电源的要求。

　　图4 电源变压器绕组带载波形及动态加载输出波形图

　　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。

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