完美集成IGBT！全桥DC-DC电源设计详解

我们都知道全桥结构在电路设计当中有着相当广泛的作用。这里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。

1.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。

2.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+15V电源，输出为两组隔离的+15V和-10V双电源，采用负电源是为可靠地关断IGBT。

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

3.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+15V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。

4.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=2400，Ae=9.8 mm2，Aw=28.2mm2，J=2A/mm2。系统工作状态为：ηB=90%，Km=0.1，fs=366 kHz，Bm=2000GS，根据P0=Ae×Aw×2×fs×Bm×J×ηB×Km×10-6。得出P0=9.8×10-2×28.2x10-2×2×366×103×2 000x2×0.9×0.1×10-6=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，△Vce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，△Vd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。

Np=[(μi-△Vce)×Dmax]/(2△B×Ae×fs) (2)

Np=[(μo-△Vd)×(1-Dmax)]/(2△B×Ae×fs) (3)

实际调试结果为：原边p=6匝，副边Ns1=8匝，Ns2=5匝。

5.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。

6.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366kHz，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35Ω/10W，可以看到突加突卸额定负载时输出正电压较平稳，波动《1V，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～-15V即可，因此满足半桥集成驱动电源的要求。

动态加载波形

本文通过对电路原理的分析和计算介绍了一种比较稳定且性能较高的DC-DC隔离电源设计，这种设计不仅容易安装，还能与IGBT模块完美集成。并且在最后通过对实验结果的分析，证明了该种电源的高效性和可靠性，达到了设计目的。