宽适应性驱动电源电路研究

刘春权 马海超 刘 冰 张海涛 易 荣



宽适应性驱动电源电路研究

刘春权1马海超1刘 冰1张海涛2易 荣2

（1. 荣信汇科电气技术有限责任公司，辽宁 鞍山 114051； 2. 梦网荣信科技集团股份有限公司，辽宁 鞍山 114051）

本文研究并设计了一种宽适应性的驱动电源电路。该电路由隔离式推挽电路和降压电路组成。可以将输入电压通过隔离式推挽电路变换为两路独立的隔离输出电压，两路隔离输出电压再分别经过降压电路变换为驱动系统所需的正负电压值。该驱动电源电路具有输入电压范围宽、输出电压稳定、两组输出相互独立、峰值功率大、隔离电压高等优点。经实际测试证明，该驱动电源电路具有较宽的适应性，可以应用到大部分驱动系统。

驱动电源；电路；宽适应性；隔离电压

IGBT器件（绝缘栅双极型晶体管）是一种MOSFET与双极晶体管复合器件。既有功率MOSFET易于驱动、控制简单、开关频率高的优点，又有功率晶体管的导通电压低、通态电流大、损耗小的优点。在智能电网、轨道交通、电动汽车与新能源装备等方面得到了广泛的应用。

IGBT在高压大功率应用场合时，对IGBT的驱动系统各方面有较高要求，如隔离耐压、输入电压范围、输出功率、电磁兼容、应对异常工况等方面。这对IGBT驱动系统，尤其是IGBT驱动电源提出了较高要求。

目前IGBT驱动电源的电路多为单级隔离无反馈拓扑。其输入电压范围较窄，一般仅为15±0.5V，如超出此范围其IGBT驱动电压的幅值将可能超出设计值。这种单级隔离无反馈拓扑IGBT驱动电源，其输出电流难以控制，如果IGBT门极发生短路或阻抗降低时，该驱动电源电路可能会工作异常，或出现不可逆的损坏。针对目前驱动电源存在的局限性，本文设计了一种宽输入电压范围稳压输出两级型驱动电源电路。该电路具有输入电压范围宽、输出电压稳定、峰值输出功率大、隔离电压高等优点，可满足大部分驱动系统的需求，扩大了驱动电源的应用范围，提高了IGBT驱动系统设计的适应性。

1 驱动电源电路原理

1.1 原理框图

图1所示为两级型驱动电源电路的原理框图。隔离变压器（T）将电路分为初级、次级两部分电路。

图1 两级型驱动电源电路原理框图

1.2 工作原理

图1左侧的初级电路部分由1、U1、U2、Q1、Q2、1、T组成。U2、Q1、Q2、1、T组成推挽电路，负责驱动变压器T向次级电路提供能量；U1是一款低压差线性稳压器，U1的输出为U2供电，可以保障U2的VCC供电电压保持平稳，使该电源电路能够适应较宽的输入电压范围；Q1、Q2是全控开关器件，两个器件交替导通；1是电流采样电阻，在采样信号达到预定阈值时，Q1或Q2的驱动电平置低，以控制变压器的传输电流；1为电源电路入口端滤波电容。

图1右侧的次级部分由整流滤波电路和降压电路组成。其中V1、V2、V3、V4、2以及V6、V7、V8、V9、4分别组成桥式整流电路和滤波电路，为后级的降压电路供电；U3、V5、1、3以及U4、V10、2、5分别组成降压电路，降压电路的核心控制芯片是U3、U4，通过检测输出电压的幅值，控制占空比，以稳定输出电压；两个降压电路的输出侧采用串联的方式连接。

图1中需要注意的是，该电路所采用的推挽电路拓扑与传统的推挽电路拓扑不同，该电路所采用的推挽电路拓扑，省略了次级滤波电感，使用变压器T的漏感限流，这样的电路形式需要根据工作频率、变压器T的漏感，以及次级侧容性启动需求来选择Q1、Q2、1等元器件的参数。

由于变压器T的漏感用普通的LCR电桥方法很难准确测量，该变压器T的漏感的测量方法如下：将变压器T的次级短路，用方波发生器配合功率放大器，将方波施加在变压器初级两端（为避免变压器饱和，需要串联一个无极性电容器）。用示波器测量变压器T初级绕组两端的方波电压，以及流过变压器T初级绕组的电流的变化斜率，由此可求得变压器T的漏感。变压器T的漏感与初级绕组和次级绕组的相对位置关系较大，变压器T的初级绕组和次级绕组分别绕制在相应骨架上。由于骨架是由模具制造的，其空间相对位置的精度较高，便于控制变压器T的漏感。设计该变压器时，漏感值不宜过小，否则电流的变化斜率过大，会使开关损耗增加，功率变换效率降低。

图1中，2、4左侧的电路部分为第一级电路，2、4右侧的电路部分为第二级电路。

2 宽适应性驱动电源电路设计中需考虑的问题

2.1 输入电压范围

驱动系统的输入电压一般为15V、24V，一般由开关电源供电。开关电源在输入电压变化、负载变化时，以及工作在较恶劣的电磁环境下，输出电压会出现一定的波动，再加上开关电源的输出电压精度一般为1%～2%，使驱动系统的供电电压存在一定偏差。在稳态工作的工况下，根据经验，驱动系统的供电电压一般需要按照其额定值±3%～±5%的精度考虑。

除上述偏差外，还需要考虑驱动系统供电的开关电源在运行过程中突然损坏，开关电源的输出电压逐渐下降，应为总控制系统留出反应时间以处理故障信息。这就需要驱动系统允许在较低输入电压下仍可以正常工作，一般以额定输入电压的80%～90%考虑。

2.2 输出电压稳定程度

IGBT的驱动电压幅值，对IGBT的功耗、过流允许时间、最大d/d都有较大影响，要求驱动电压的幅值稳定，不偏离设计值。

在2.1所述的输入电压范围内，从空载输出到峰值功率输出，输出电压的变化幅度一般不应超过额定输出电压的2%，以保证驱动电压幅值的稳定。

当驱动系统在驱动桥式电路的上管时，驱动系统地初、次级之间电压频繁快速变化，会在驱动系统中产生共模电流，驱动电源电路应能够耐受共模电流的干扰，避免输出电压出现超出设计值的波动。

2.3 峰值输出功率

IGBT根据耐压、最大允许电流以及开关频率的不同，有的场合IGBT的驱动功率仅需0.5W，有的场合会需要5W，峰值功率需求可能会到8W，功率需求差异较大，驱动电源电路应覆盖大部分场合的IGBT驱动功率的需求。

为避免负载异常时输出电流过大，驱动电源的输出电流应可以由降压芯片控制。

2.4 绝缘强度

目前，IGBT最大的耐压等级是6500V，型号有ABB品牌的5SNA0600J650100，5SNA0750J650300，infineon品牌的FZ200R65KF2，FZ250R65KE3等。适应该类型IGBT的驱动系统，初次级间的隔离耐压应不低于6500×1.414+1000≈10200V AC。

3 解决方案

1）输入电压范围

利用如图1所示的两级型驱动电源电路拓扑的优势，第一级的电路完成隔离的功能；用第二级的电路完成输出稳压的功能。只要在设计第二级电路时，给其输入留出充足的电压范围，即可扩大第一级电路的输入电压范围。

2）输出电压稳定程度

驱动电源输出电压的稳定，主要由图1中U3、U4降压芯片来保障。降压芯片会包含有输出电压反馈引脚，在输入电压或负载发生变化时，降压芯片可以通过调整内置开关管的导通占空比，以稳定输出电压。

为减少共模电流对驱动电源的影响，需要控制图1中T的初次级的寄生电容，一般不宜超过30pF。

3）峰值输出功率

图1中的第一级电路和第二级路的输出功率设计值，需要在8W的功率需求的基础上留有裕量，一般设计取值宜大于10W。

最大输出电流由降压芯片控制，一般为额定功率的1.5倍左右。

4）绝缘强度

为尽量减小驱动电源初次级的寄生电容，也为了满足绝缘强度的要求，需要在设计变压器T的结构时，保障初级与次级绕组之间留有较大间隙。必要时，还需要对变压器T进行灌胶处理，以提高绝缘性能。

4 试验结果分析

实际设计的驱动电源电路的实物照片如图2所示，其中左侧是初级电路，中间是高压隔离变压器，右侧的立板是次级电路。该驱动电源电路的输入电压范围是11.5～18V。

图2 驱动电源电路实物图

4.1 不同输入电压、不同负载情况下，输出电压 测试

驱动电源分别在输出0、2W、4W、8W负载时，分别在11.5～18V输入电压时，测量第一路15V，和第二路15V的输出电压。测试结果如图3、图4所示。

图3 第一路15V输出电压

图4 第二路15V输出电压

单级隔离无反馈拓扑IGBT驱动电源的输出电压会随输入电压变化，而等比例变化。即图3、图4的11.5～18V输入电压变化会引起至少30%的输出电压变化。

如图3、图4所示，两路15V输出电压在不同的负载下，在不同的输入电压下，输出电压稳定，电压变化幅度为0.05V，仅为额定15V输出电压的0.333%。测试结果明显优于单级型驱动电源

4.2 其中一路15V短路，对另一路15V的影响

为验证驱动电源电路两个15V输出部分的独立性，采用短路其中一个15V输出，观察另一个15V输出的变化。实测波形如图5、图6所示。

图5 第一路15V短路再恢复波形图

图6 第二路15V短路再恢复波形图

从图5、图6可以看出，其中一路15V输出短路再恢复，对另一路15V输出没有影响。

4.3 峰值输出功率下，容性启动测试

驱动电源电路在峰值功率（8W×2）下，带容性负载（4700mF×2）启动，两路15V输出电压启动的波形如图7所示。

图7 峰值功率、容性启动波形

图7所示驱动电源电路的两路15V输出电压波形，波形一致，且均为单调上升。验证了驱动电源电路具有较强的带负载能力。同时也验证了两级型驱动电源的输出电流控制能力。

4.4 绝缘强度测试

按照上文中2.4所述的绝缘试验电压，对驱动电源进行耐压测试，绝缘耐压测试结果见表1，测试结果合格。

表1 绝缘耐压测试记录

5 结论

本文所设计的两级型驱动电源电路，较传统的单级型驱动电源具有输入电压范围宽、输出电压稳定、输出最大电流可控等优点，具有两组输出相互独立互不影响的特点。并且在输出功率、隔离电压等方面，可以适应大多数驱动系统的供电需求，具有较宽的适应性。

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Research on wide adaptable drive power supply circuit

Liu Chunquan1Ma Haichao1Liu Bing1Zhang Haitao2Yi Rong2

(1. Rongxin Huiko Electric Technology Co., Ltd, Anshan, Liaoning 114051; 2. Montnets RongXin Technology Group Co., Ltd, Anshan, Liaoning 114051)

This is to research and design a drive power circuit with wide adaptability. The circuit consists of isolated push-pull circuit and step-down circuit, which can convert the input voltage by the isolated push-pull circuit into two independent isolated output voltage, and these two independent isolated output voltage will be converted by step-down circuit into the positive and negative voltage value required by the drive system. This drive power circuit has the advantages of wide input voltage range, stable output voltage, two independent sets of output, high peak power and high isolation voltage. The actual test shows that the drive power circuit has a wide adaptability and can be applied to most drive systems.

drive power; circuit; wide adaptability; isolation voltage

2018-01-05

刘春权（1982-），男，工程师，主要从事柔性直流输电系统的控制和仿真研究工作。

国家重点研发计划资助项目（2016YFB0901003）