三相IGBT全桥隔离驱动电源设计

 

 

　　本文针对10 kW三相IGBT全桥变换器设计了一种隔离驱动电源，提供4路相互隔离的输出，每路输出均提供+15 V/-9 V电源。电源功率较小，考虑成本和效率，采用单端反激式结构。电源内部反馈网络采用电压和电流反馈双闭环串极结构，分别从电压输出端和电流采样电阻上得到电压电流反馈信号，经反馈网络输入到PWM控制器，PWM控制器根据反馈信号大小调节其输出开关脉冲的占空比，以此来保持输出电压的稳定。

　　1 三相IGBT全桥隔离驱动电源设计

　　三相IGBT全桥隔离驱动电源采用电流型PWM控制器LIC3845，输出4路相互隔离的+15 V/-9 V，如图1所示。其中，一路额定输出电流为0.2 A，用于三相全桥下桥臂共射极连接的3个IGBT的驱动供电，另外3路额定输出电流为0.1 A，分别用于上桥臂的3个IGBT的驱动供电。

　　

 

　　1.1 电路工作原理

　　1.1.1 开关脉冲的产生

　　开关管导通时，变压器的初级电流逐渐增大，采样电阻风上的压降增加，通过RC滤波电路反馈到芯片UC3845的3脚，与电流取样比较器的另一端进行比较，当这个压降达到UC3845的1管脚建立的门限电平时，锁存器复位，开关管截止。UC3845作为电流模式控制器工作，输出开关的导通由UC3845内部振荡器开始，到变压器初级电流到达管脚1建立的门限电平时为止。

　　1.1.2 占空比的调节

　　变压器+15 V，-9 v/0.2 A一路输出电压通过TL431a和光耦PC817反馈到UC3845的1脚，UC3845的2脚接地，UC3845内部误差比较放大器的输入误差总是固定的，将PC817的光电晶体管视为可变电阻，1脚的反馈信号改变的是误差比较放大器的增益，其等效电路如图2所示。

　　

 

　　当+15 V、-9V/0.2 A一路输出电压过高时，TL431参考端电压升高，阴极电压降低，光耦PC817二极管的电流增大，晶体管电流也相应增大，UC3845的1脚电压降低，流过开关管的峰值电流减小，占空比减小，使得输出电压降低。当输出电压偏低时与上述情况正好相反。

　　1.1.3 +15 V/-9 V电压的产生

　　图1所示的隔离电源的变压器次级4路实际输出+24 V的电压，为得到+15 V/-9 V的电压，采用15 V稳压二极管和电阻串联的形式。也可以采用变压器次级引出中间抽头的方式，但这种方式占用变压器管脚太多，变压器骨架管脚数目会不足。

　　1.2 反激式变压器设计

　　单端反激式变压器可工作在电流连续模式(CCM)或断续模式(DCM)，但在CCM模式下变压器磁芯易饱和发热，通常设计为DCM下工作。

　　确定已知参数：直流输入电压的最大值Uinmax和最小值Uinmax;输出电压Uo、功率Po;开关频率f、工作效率η、开关导通压降UDS。在反激变压器中，次级反激电压VOR与输入电压之和不能高于开关管的耐压USmax，

　　

 

　　

 

　　1.3 电压电流反馈回路参数设计

　　TL431a是美国德州仪器(TI)生产的2.5～36 V可调式精密并联稳压器。它的参考端输入电流值为2μA，为了避免此端电流影响分压比和避免噪声的影响，通常取流过电阻Rlow的电流为参考输入端电流的100倍以上，所以得Rlow的取值范围：

　　

 

　　。在该范围内给Rlow取值。根据Rup，Rlow，Uo，Uref的关系，得到

　　

 

　　。

　　TL431a的阴极电压Uka在2.5 V～36 V变化时，阴极电流Ika范围是1～150 mA，当PC817的正向电流If为0时，必须保证Ika至少为1 mA，所以Ibias至少为1 mA，此时PC817的正向压降Uf即Ubias小于1.2 V，所以Rbias的范围：

　　

 

　　。

　　UC3845的1脚正常电压为0.8 V～6.2 V，由PC817的技术资料得：当PC817二极管正向电流If为3 mA左右时，晶体管集射电流Ic在4 mA左右变化，集射电压Uce在很宽的范围内线性变化，符合UC3845的控制要求，所以取PC817二极管正向电流If为3 mA，取TL431a阴极电流Ika为不大于150 mA的确定值(例如20 mA)。由此根据

　　

 

　　，可得Rbias的值;又由TL431a阴极工作电位为2.5～36 V得到Rf的取值范围：

　　

 

　　2 实验结果

　　对设计的电路进行实验，得出了实验数据和波形。表1为隔离电源在空载和带载(+15 V，-9 V/0.2 A一路输出带载240 Ω，另外3路输出各带载120 Ω)下的4路输出电压值及相应的负载调整率。

　　

 

　　图3为+15 V，-9 V/0.2 A一路输出带载时的电压波形。图3为+15 V，-9 V/0.2 A一路带载输出电压：深色CH1为+15 V输出，浅色CH2为-9 V输出。

　　

 

　　3 结语

　　本文设计制作了基于电流型PWM控制器UC3845的三相IGBT全桥隔离驱动电源，采用单端反激式结构，结构简单，成本较低。实验表明，该隔离驱动电源的输出电压稳定，负载调整率高，具有很高的应用价值，同时填补了当前市场没有三相IGBT全桥隔离驱动电源的空白。