設(shè)計特性

適用于絕緣柵雙極型晶體管(IGBT) 柵極驅(qū)動的隔離式電源

支持適用于半橋的2個IGBT柵極驅(qū)動器

輸入電壓范圍：10V - 28V

支持每個 IGBT 的正負(fù)偏置輸出：15V 和-8V

輸出功率：2.3W (單個 IGBT)，單路輸出額定電流 100mA

平衡滿載峰值效率達78.5%

特色應(yīng)用

交流和直流變速驅(qū)動器

工業(yè)逆變器和太陽能逆變器

不間斷電源系統(tǒng)

伺服驅(qū)動器

基于 IGBT 的高壓 DC 系統(tǒng)

圖 1. 典型應(yīng)用電路圖

圖 2. Demo 展示

1. 系統(tǒng)描述

本參考設(shè)計采用 Flybuck 變換器為 IGBT 柵極驅(qū)動器提供正負(fù)電壓軌。Flybuck 變換器可等效于降壓變換器和類似反激變換器二次側(cè)的組合，采用同步 Buck 芯片實現(xiàn)電路控制，并使用變壓器繞組來取代 Buck 電感，可實現(xiàn)一次側(cè)的穩(wěn)壓功能，同時提供多路的二次側(cè)輸出，無需光電耦合器或輔助繞組即可實現(xiàn)隔離式輸出控制，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的特點。

本參考設(shè)計通過同步降壓轉(zhuǎn)換器 KP523308 實現(xiàn)。KP523308 具有 4.5V 至 30V 的寬輸入電壓范圍，支持 3A 持續(xù)輸出電流，開關(guān)頻率為 500kHz，輕載時工作在強制脈寬調(diào)制模式 (FPWM)。本 Flybuck 系統(tǒng)可工作于 10V 至 28V 的輸入電壓范圍，產(chǎn)生兩組 15V 和 -8V 輸出，為適用于半橋的 IGBT 柵極驅(qū)動器供電。

2. 電路參數(shù)設(shè)計

2.1 Flybuck 工作原理

Flybuck 在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上類似于降壓變換器和反激變換器二次側(cè)的組合，如圖 3 所示。

圖 3. Flybuck 電路圖

Flybuck 的工作波形如圖 4 所示。在 Ton 期間，一次側(cè)的上管導(dǎo)通、下管關(guān)斷，二次側(cè)二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，變壓器一次側(cè)電流線性上升；在 Toff 期間，一次側(cè)的上管關(guān)斷、下管導(dǎo)通，二次側(cè)二極管導(dǎo)通，原邊由一次側(cè)電感、下管、輸出電容和負(fù)載構(gòu)成續(xù)流回路，同時原邊能量的一部分被傳遞至副邊，副邊電流波形取決于負(fù)載、漏感及輸出電容。

圖 4. Flybuck 工作波形

一次側(cè)輸出電壓為：

（1）

二次側(cè)輸出電壓為：

（2）

由上圖可見，變壓器的磁化電流波形等效于一次側(cè)和二次側(cè)電流的組合，其紋波為：

（3）

因此，一次側(cè)的正向峰值電流為：

（4）

在實際應(yīng)用中，變壓器的漏感會影響二次側(cè)電流的波形。在變壓器漏感較小時，二次側(cè)電流可快速上升為輸出電容充電。隨著漏感增加，二次側(cè)電流上升速度變慢，導(dǎo)致提供給輸出電容的電荷減少，嚴(yán)重時會使輸出電壓降低。同時，較高的漏感值會導(dǎo)致一次側(cè)的負(fù)向峰值電流增大。變壓器漏感較低時，二次側(cè)峰值電流如式 (5) 所示；變壓器漏感較高時，二次側(cè)峰值電流如式 (6) 所示。

（5）

（6）

因此，變壓器漏感較低時，一次側(cè)的負(fù)向峰值電流如式 (7) 所示；變壓器漏感較高時，一次側(cè)的負(fù)向峰值電流如式（8）所示。

（7）

（8）

在設(shè)計過程中，應(yīng)保證一次側(cè)的正負(fù)向峰值電流不超過芯片限值。

2.2 驅(qū)動功率計算

IGBT 總柵極功耗為：

（9）

其中，Pdriver 為柵極驅(qū)動器總功耗，Qgate 為總柵極電荷，fsw 為開關(guān)頻率，ΔVgate 為柵極驅(qū)動器輸出電壓擺幅，Cge 為外部柵極到發(fā)射極電容。

考慮 IGBT 模塊參數(shù)為 1200V/200A，Qgate = 1.65μC，開關(guān)頻率為 16kHz，柵極電壓擺動范圍為 -15V 至 15V (考慮最大范圍的值)，Cge = 20nF，Pdriver = 600mW。經(jīng)計算，得 IGBT 總柵極功耗為 1.68W。考慮降額，在設(shè)計中將 IGBT 總柵極功耗定為 2W。

2.3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

本 Flybuck 電路產(chǎn)生兩組 15V 和 -8V 輸出，為適用于半橋的 IGBT 柵極驅(qū)動器供電。系統(tǒng)工作參數(shù)如表 1 所示，原理圖如圖 5 所示。

表 1. 系統(tǒng)工作參數(shù)

圖 5. Flybuck 原理圖

2.3.1 變壓器

一次側(cè)輸出電壓 Vout1 設(shè)置為 5V，可滿足多種常用的應(yīng)用場合，同時占空比可保持在 50% 以下，確保有電路有足夠的時間向二次側(cè)傳遞能量。二次側(cè)輸出電壓方程為：

（10）

（11）

考慮二極管導(dǎo)通壓降 VF = 0.5V，可得變壓器匝比為 N1N3 = 11.7。取紋波電流系數(shù)為 0.3，可得變壓器一次側(cè)電感為：

（12）

為使一次側(cè)的電感電流峰值不超過限值，取一次側(cè)電感為 13μH，因此 Δim(max) = 0.63A，Δim(min) = 0.38A。當(dāng)一次側(cè)空載、二次側(cè)滿載時，根據(jù)式 (4) (7) (8)，可得一次側(cè)最大的電感電流峰值為：

（13）

（14）

（15）

KP523308 的波峰電流限流值 IHS(OC) 為 5A，谷底電流限流值 ILS(OC) 為 4A，反向電流限流值 ILS(NOC) 為 2.5A。因此，一次側(cè)空載或帶 1A 負(fù)載時，正向峰值電流可滿足限值要求；二次側(cè)滿載時，在變壓器漏感較小的情況下，負(fù)向峰值電流也可滿足限值要求。因此，在變壓器設(shè)計過程中應(yīng)特別注意對漏感的控制。EP 型磁芯具有磁屏蔽效果好、電感量高、漏感小等優(yōu)點。本參考設(shè)計采用 PC44 材質(zhì)的 EP10 磁芯。一次側(cè)繞組匝數(shù)可按下式計算：

（16）

其中 Bmax 為最大磁通密度，Ae 為磁芯的有效截面積。本設(shè)計中，變壓器繞制匝數(shù)選取為 N1N3 = 59。

2.3.2 輸入、輸出電容

取輸入電容紋波 ΔVin = 0.2V，則

（17）

考慮降額，選取輸入電容值為 10μF，同時并聯(lián)一個 0.1μF 的電容濾除高頻噪聲。取一次側(cè)輸出電容紋波 ΔVout1 = 0.05V，則

（18）

考慮降額，選取一次側(cè)輸出電容為 2 個 22μF 電容并聯(lián)。取二次側(cè)輸出電容紋波 ΔVout2 = ΔVout3 = 0.1V，則

（19）

考慮降額，選取二次側(cè)輸出電容值為 10μF，同時并聯(lián)一個 0.1μF 的電容濾除高頻噪聲。

2.3.3 反饋電阻

KP523308 的反饋電壓為 0.6V，取反饋下電阻為 10kΩ，則另一個電阻為

（20）

2.3.4 二極管

副邊關(guān)斷時，二極管承受最大反向壓降為

（21）

（22）

二極管最大正向電流為

（23）

因此，可選取 100V/1A 的肖特基二極管。

2.3.5 預(yù)負(fù)載

為防止在輕載時二次側(cè)輸出電壓偏高，需要在輸出側(cè)添加預(yù)負(fù)載。預(yù)負(fù)載電流通常設(shè)置在 5mA 左右，可根據(jù)實際測試和應(yīng)用要求調(diào)整。本參考設(shè)計選取 3kΩ 和 1.6kΩ 的電阻作為預(yù)負(fù)載。

3. 測試結(jié)果

一次側(cè)空載或帶 1A 負(fù)載時，變壓器原邊電流波形如圖 6 和圖 7 所示。

圖 6. 變壓器原邊電流波形

(Vin= 10V, Iout1= 0A,

Iout2= 100mA, Iout3= 100mA)

圖 7. 變壓器原邊電流波形

(Vin= 10V, Iout1= 1A,

Iout2= 100mA, Iout3= 100mA)

二次側(cè)滿載時，變壓器副邊電流波形如圖 8 所示。

圖 8. 變壓器副邊電流波形

(Vin= 10V, Iout1= 1A,

Iout2= 100mA, Iout3= 100mA)

一次側(cè)和二次側(cè)輸出均滿載時，輸出電壓紋波如圖 9 和圖 10 所示。

圖 9. 一次側(cè)輸出電壓紋波波形

(Vin = 10V,Iout1= 1A,

Iout2 = 100mA,

Iout3 = 100mA)

圖 10. 二次側(cè)輸出電壓紋波波形

(Vin = 10V, Iout1 = 1A,

Iout2 = 100mA,

Iout3 = 100mA)

二次側(cè)輸出電壓的啟動波形如圖 11 所示。

圖 11. 二次側(cè)輸出電壓啟動波形

(Vin= 10V, Iout1= 1A, Iout2= 100mA, Iout3=100mA)

在輸出均負(fù)載的情況下，系統(tǒng)效率曲線如圖 12 所示。系統(tǒng)滿載效率可達 78.5%。

圖 12. 效率曲線

測量系統(tǒng)二次側(cè)的輸出電壓 Vout2+Vout3，在輸出均負(fù)載的情況下，系統(tǒng)的負(fù)載調(diào)整率如圖 13 所示。在輸出滿載的情況下，系統(tǒng)的輸入調(diào)整率如圖 14 所示。

圖 13. 負(fù)載調(diào)整率

圖 14. 輸入調(diào)整率

4. 物料清單

表 2. 物料清單

5. PCB 布局

電路板尺寸為 64mm×36mm

圖 15. 頂層

圖 16. 底層

審核編輯：湯梓紅