LLC 諧振式IGBT 驅動電源的研究

劉 洋 何成軍

（青島海信日立空調系統有限公司，山東 青島266510）

傳統小功率IGBT 驅動技術采用光耦- 穩壓電源式驅動技術，在IGBT 發生短路故障時無法令門極電壓快速降低，可能導致IGBT 的短路故障發生擴散，繼而發生更大的損失。[1-2]中大功率IGBT 驅動采用反激拓撲衍生出的Vcc 反饋式驅動電源（PSR-Flyblack）。在IGBT 發生短路故障時，驅動電源限制門極電壓可避免IGBT 故障范圍的擴散，但驅動電源反饋繞組Vcc電容瞬時沖擊電壓損壞驅動電源芯片及周圍穩壓器件。[3]

隨著大功率光伏逆變器的普及和應用，提高IGBT 的驅動及保護技術已經成為當前研究的重點[4]。本文設計的對稱式半橋LLC 諧振驅動電源，能夠高效驅動大功率IGBT，具備IGBT 門極短路保護功能，并結合軟開關技術和倍壓整流技術實現在低輸入電壓的條件下實現開關管零電壓開通，副邊二極管零電流關斷。有效減小開關損耗，該驅動技術普遍適用于NPC 式光伏逆變器[5]。

1 半橋LLC 驅動電源的工作原理

圖1 電路關鍵點的波形

階段1(t2-t3):如圖2(a)，當上管S1 開通時此時由于諧振電流Ics大于變壓器勵磁電流Im，次級輸出繞組與備壓整流電容通過D3一起向后級釋放能量。

階段2(t3-t4): 如圖2(b)，此階段下勵磁電流Im與諧振電流Ics相等，此時D3零電流自然關斷。此時D3與D4沒有反向回復損耗。

階段3(t4-t5): 如圖2(c)，此階段上管S1 關斷，此時Mos 管結電容Ds1和Ds2分別參與諧振充電和諧振放電過程，直到Ds2放電到零，進入箝位續流階段為S2 的零電壓開通（ZVS）做準備。Im線性下降與Ics正弦式下降，但Ics小于Im，此時二極管D1開始為C3充電開始倍壓過程。

階段4(t5-t6): 如圖2(d)，此階段下管S1 零電壓開通，此階段諧振電容電感參與諧振，此時Ics小于Im繼續進行D1和C3的倍壓過程。

階段5(t6-t7): 如圖2(e)，此階段Ics等于Im，因此時D1零電流自然關斷。

階段6(t7-t8): 如圖2(f)，此階段Ics小于Im，此時次級輸出繞組與備壓整流電容通過D3一起向后級釋放能量。

圖1 為半橋LLC 驅動電路各關鍵點的波形。VS1VS2分別為上下管驅動波形、Ics為諧振電流波形、Im為變壓器的勵磁電流、VAB為橋臂中點的波形、Ic1為備壓整流電容的放電電流波形、ID1為備壓整流電容的充電電流波形。

圖2

2 LLC 諧振電源諧振網絡參數

通過等效模型如圖3，計算橋臂中點基波電壓有效值見式（1）。

當諧振電感Lr與諧振電容Cr完全諧振時，此時原邊電壓完全加在輸入等效電阻上，可計算出此時的等效電阻Rm。見式（2）

當電源滿載輸出此時Lr與Cr在完全諧振的條件下二者電壓和為零，此時有效值均分為一半的輸入電壓，見式（3）。

根據Q 值定義計算出Q 值并以此計算諧振電感和諧振電容等諧振網絡相關參數。并計算出變壓器的勵磁電感Lm

由于驅動電源功率不大且變壓器類型為正激式驅動，只需要變壓器的原邊電感在設計過程中滿足諧振參數即可。線徑在滿足基本安規的條件下，考慮到趨膚效應等即可滿足設計要求。

3 仿真結果分析

圖4 LLC 電路仿真波形