一种紧凑型全桥DC-DC隔离电源设计

摘要 针对半桥IGBT集成驱动板上隔离电源及驱动板负载的特点，设计了一种两组磁芯共用一组高频全桥开关的DC-DC隔离电源。简洁的电路产生4路全桥驱动脉冲信号，无需隔离，实现了板上电源的紧凑设计，提高了功率密度。对关键信号的产生进行了仿真实验，结果表明，该电源电路简洁、高效、可靠，与IGBT半桥集成驱动板达到了良好的结合。
关键词 半桥驱动；IGBT；DC-DC；紧凑设计

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。

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。