《紧凑型全桥dc-dc隔离电源电路设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《紧凑型全桥dc-dc隔离电源电路设计（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、紧凑型全桥 DC-DC 隔离电源电路设计 全桥结构在电路设计当中有着相当广泛的作用。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。 IGBT 半桥集成驱动板电源特点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-D
2、C 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
3、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。 原边共用全桥控制的原边共用全桥控制的 DC-DC 电源设计电源设计 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
4、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
5、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-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=2.2k、C=748 pF、 VDD=15 V、 VT+=8.8 V、 VT-=5.8 V。 根据
6、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 374.396kHz。 原边共用全桥控制的原边共用全桥控制的 4 路路 PWM 信号产生信号产生 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
7、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 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
8、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、工作象限，双向励磁，有利于实现高功率密度。 图2 DC-DC全桥控制原理 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。 DC-DC 电源变压器的选择及设计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、象限，驱动上要能够防止磁芯饱
9、和，同时要求效率高、体积小。基于上述考虑，选用环形磁芯 T1065,材质 为 PC40, 环形磁芯漏磁小、效率高。具体参数为：i=2 400,Ae=9.8 mm2,Aw=28.2mm2,J=2A/mm2.系统工作状态为： B=90%,Km=0.1,fs=366 kHz,Bm=2 000 GS,根据 P0=AeAw2fsBmJBKm10-6。得出 P0=9.810-228.2 x 10-223661032 000 x 20.90.110-6=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i 为输入电压最小值， Vce 为额定电流下全桥回
10、路开关管压降，Dmax=0.48;o 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=（i-Vce）Dmax/（2BAefs） （2） Np=（o-Vd）（1-Dmax）/（2BAefs） （3） 实际调试结果为：原边 p=6 匝，副边 Ns1=8 匝，Ns2=5 匝。 带死区的带死区的 4 路互补路互补 PWM 信号仿真信号仿真 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
11、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。 图3 Saber仿真原理结果图 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。 实验结果实验结果 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 CH
12、1 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 /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 本篇文章通过对原理的分析和计算，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。
