IGBT驅(qū)動(dòng)電源研究

孫 超，江 劍，譚驚濤

（臺(tái)達(dá)電子企業(yè)管理（上海）有限公司，上海 201209）

0 引 言

IGBT驅(qū)動(dòng)器是IGBT按照MCU指令進(jìn)行正確開關(guān)動(dòng)作的“鑰匙”，是電力電子變流器中至關(guān)重要的組成部分，而IGBT驅(qū)動(dòng)電源是保證IGBT驅(qū)動(dòng)可靠工作的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[1-2]進(jìn)行了IGBT驅(qū)動(dòng)器及驅(qū)動(dòng)反激電源的詳細(xì)設(shè)計(jì)與開發(fā)。文獻(xiàn)[3-5]分析了變壓器漏感及分布電容對(duì)電路的影響。本文分析常用驅(qū)動(dòng)器隔離變壓器結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，探討變壓器漏感及原副邊耦合電容對(duì)DNPC拓?fù)涔材ｋ娏鞯挠绊懀信e了常用的3種驅(qū)動(dòng)電源輸出電壓穩(wěn)壓方案。此外，設(shè)計(jì)了兩款24 V電壓輸入的1驅(qū)2驅(qū)動(dòng)變壓器，其變壓器原副邊寄生電容Cps小于10 pF。最后，應(yīng)用TI公司UCC28C45芯片作為300 kHz、40%占空比的PWM信號(hào)輸入，對(duì)應(yīng)用兩款變壓器的驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果滿足要求。

1 IGBT驅(qū)動(dòng)器隔離電源變壓器結(jié)構(gòu)選擇

圖1（a）為1驅(qū)1變壓器結(jié)構(gòu)，即驅(qū)動(dòng)電源用一個(gè)驅(qū)動(dòng)變壓器產(chǎn)生一路隔離驅(qū)動(dòng)電源，給一路IGBT驅(qū)動(dòng)供電。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)比較明顯，實(shí)際PWB布局中可靈活放置驅(qū)動(dòng)電源，使其盡量靠近IGBT。布設(shè)中，只需要考慮變壓器原邊與副邊的安規(guī)，因此可選擇的變壓器骨架（Bobbin）與磁芯種類較多，變壓器繞制比較靈活，常使用環(huán)形磁芯。原副邊線圈距離遠(yuǎn)，可控制原副邊寄生電容Cps很小。但是，這種結(jié)構(gòu)中每個(gè)位置的IGBT均需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)電源，成本較高，且電路占用PWB面積較大，不利于減少PWB板尺寸。

圖1（b）為1驅(qū)2變壓器結(jié)構(gòu)，即一個(gè)驅(qū)動(dòng)變壓器產(chǎn)生2路驅(qū)動(dòng)電源，給2路IGBT驅(qū)動(dòng)供電。相比于1驅(qū)1結(jié)構(gòu)，在驅(qū)動(dòng)相同數(shù)量IGBT時(shí)，這種結(jié)構(gòu)減少了一半電路及隔離變壓器數(shù)量。變壓器繞制難度適中，占用PWB板面積少。

圖1（c）為1驅(qū)4變壓器結(jié)構(gòu)，即一個(gè)驅(qū)動(dòng)變壓器產(chǎn)生4路驅(qū)動(dòng)電源，給4路IGBT驅(qū)動(dòng)供電。它具有集成度高的優(yōu)點(diǎn)，可有效節(jié)約PWB空間，但變壓器繞組較多，變壓器尺寸大，布局不夠靈活，且存在變壓器繞制難度高的問(wèn)題。

圖1 常用變壓器結(jié)構(gòu)

2 三電平驅(qū)動(dòng)電源變壓器結(jié)構(gòu)選擇

圖2為DNPC和TNPC兩種三電平拓?fù)洌恳幌鄻虮劬?個(gè)位置的IGBT，需要4組獨(dú)立的IGBT驅(qū)動(dòng)。4組獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的供電電源變壓器結(jié)構(gòu)有以下3種方式：（1）采用1驅(qū)1的變壓器，每個(gè)位置的IGBT使用一個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)隔離電源；（2）采用1驅(qū)2變壓器，2組IGBT驅(qū)動(dòng)共用一組驅(qū)動(dòng)隔離電源，組合方式為S1&S2組合（S3&S4組合）和S1&S3組合（S2&S4組合）；（3）采用1驅(qū)4變壓器，4組IGBT驅(qū)動(dòng)共用一組隔離電源。

圖2 DNPC和TNPC拓?fù)?/p>

三電平拓?fù)銹WM開關(guān)調(diào)制方式為：S1與S3互補(bǔ)開關(guān)，S2與S4互補(bǔ)開關(guān)。正半工頻周期內(nèi)，S2常通，S1進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作；負(fù)半工頻周期內(nèi)，S3常通，S4進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作。IGBT在進(jìn)行PWM開關(guān)動(dòng)作時(shí)，需要消耗對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電源的功率；而IGBT處于常通或者常斷時(shí)，幾乎不消耗驅(qū)動(dòng)電源功率。

若采用1驅(qū)1變壓器結(jié)構(gòu)即1組IGBT驅(qū)動(dòng)用1個(gè)1驅(qū)1變壓器結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電源，具有功率小的優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)是每相橋臂4組IGBT需要4個(gè)1驅(qū)1的電源，需要元器件多，成本高，且PWB占用面積大，不利于產(chǎn)品朝向小型化和高密度方向發(fā)展。

若采用1驅(qū)4變壓器結(jié)構(gòu)，每相橋臂上的4組IGBT驅(qū)動(dòng)共用一組驅(qū)動(dòng)電源，集成度最高但多繞組變壓器設(shè)計(jì)復(fù)雜，變壓器體積大，布局不夠靈活。

若采用1驅(qū)2變壓器結(jié)構(gòu)，2組IGBT驅(qū)動(dòng)共用一組隔離電源，將有兩種選擇方式。

（1）采用方式a：S1&S2組合（S3&S4組合）。根據(jù)實(shí)際工作狀態(tài)，僅有一組IGBT在進(jìn)行PWM開關(guān)動(dòng)作消耗功率，且S1&S2之間變壓器耐壓滿足Vbus/2即可。

（2）采用方式b：S1&S3組合（S2&S4組合）。工作時(shí)變壓器最大功率將是組合a方式的2倍，且S1與S3兩個(gè)變壓器繞組需要滿足的耐壓為Vbus，是組合a耐壓的2倍。變壓器設(shè)計(jì)需要滿足的安規(guī)距離大，變壓器設(shè)計(jì)復(fù)雜。

3 隔離電源拓?fù)溥x擇

驅(qū)動(dòng)電源采用如圖3所示的正激拓?fù)洌負(fù)渲袃H有一個(gè)MOS，電路簡(jiǎn)單，且采用1驅(qū)2方式變壓器，集成度高，系統(tǒng)成本低。兩種拓?fù)鋮^(qū)別在于變壓器線圈去磁方式。圖3（a）為采用穩(wěn)壓管去磁方式，線路簡(jiǎn)單，但是有一部分損耗損失在穩(wěn)壓管上，且這部分固有損耗無(wú)法避免。圖3（b）為采用輔助繞組去磁，相比圖3（a）效率較高，但是變壓器繞制需要多繞制一個(gè)去磁繞組，增加了驅(qū)動(dòng)電源變壓器的繞制難度，進(jìn)而增加了變壓器的成本。

圖3 隔離電源拓?fù)?/p>

4 變壓器漏感及原副邊耦合電感對(duì)系統(tǒng)的影響分析

圖4為驅(qū)動(dòng)變壓器漏感等效位置圖。若開關(guān)頻率為FSW，驅(qū)動(dòng)變壓器原邊電流為Ip，漏感為L(zhǎng)k，則變壓器漏感上的壓降為：

驅(qū)動(dòng)變壓器的副邊輸出電壓Vo為：

圖4 變壓器漏感示意圖

可以得出，由于漏感Lk的存在，電路工作中漏感的壓降會(huì)使變壓器副邊輸出電壓減小。隨著負(fù)載增大，原邊電流Ip將會(huì)變大，漏感Lk將產(chǎn)生更大的壓降，從而使變壓器副邊輸出電壓進(jìn)一步降低。變壓器漏感Lk會(huì)影響驅(qū)動(dòng)電源的帶載變化時(shí)副邊輸出的電壓變化量。

除了漏感對(duì)輸出電壓的影響之外，驅(qū)動(dòng)變壓器原邊繞組與副邊繞組之間的寄生電容Cps的大小，也對(duì)共模噪聲的抑制發(fā)揮著重要作用，尤其在大功率、高電壓功率變流器系統(tǒng)中。圖5為DNPC系統(tǒng)中共模電流的傳輸路徑示意圖。

圖5 變壓器寄生電容共模回路示意圖

圖5中虛線箭頭為共模電流路徑。由于DNPC開關(guān)器件（IGBT）開關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生很大的電壓變化率dV/dT，高壓系統(tǒng)中IGBT在系統(tǒng)分擔(dān)電壓高。電壓變化率越高，產(chǎn)生共模電流的激勵(lì)源越強(qiáng)烈。此時(shí)，驅(qū)動(dòng)變壓器原副邊寄生電容Cps的存在，為共模電流的產(chǎn)生提供了路徑。

式（3）中，C代表路徑上所有電容等效值，其中原副邊寄生電容Cps越大，開關(guān)器件（IGBT）dV/dT越大，產(chǎn)生的共模電流越大。共模電流經(jīng)由該路徑時(shí)，會(huì)造成參考地內(nèi)混有高頻噪聲信號(hào)越大。共模噪聲信號(hào)會(huì)影響參考地DGND和AGND中MCU、ADC等電路中的正常信號(hào)，包括原始正常的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，致使反映到IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生誤動(dòng)作而導(dǎo)致變流器不能正常工作，甚至導(dǎo)致變流器炸機(jī)。因此，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源變壓器時(shí)，考慮減少原副邊分布電容Cps的值尤為重要。

5 IGBT驅(qū)動(dòng)電源輸出穩(wěn)壓方案

由于驅(qū)動(dòng)電源輸出為開環(huán)控制，Vo會(huì)受到變壓器一致性和負(fù)載大小變化的影響。IGBT正常工作對(duì)Vge電壓范圍有要求，因此需要對(duì)Vge進(jìn)行穩(wěn)壓。圖6為3種輸出Vge穩(wěn)壓方案。方案（a）為穩(wěn)Vge+方案，IGBT驅(qū)動(dòng)電壓Vge+由穩(wěn)壓管Vz決定，則Vge-為Vo～Vz。方案（b）為穩(wěn)Vge-方案，IGBT驅(qū)動(dòng)電壓Vge-由穩(wěn)壓管Vz決定，則Vge+為Vo～Vz。方案（c）為Vge+及Vge-均穩(wěn)壓的方案，其中Vge+由Vz決定，Vge-由TI公司UA79M系列負(fù)電壓線性穩(wěn)壓器決定。

6 IGBT 1驅(qū)2驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

電源設(shè)計(jì)要求，如表1所示。

表1 電源設(shè)計(jì)要求

6.1 驅(qū)動(dòng)電源PWM控制器選擇

TI（Texas Instruments）UCCX8C4X[6]系列脈沖寬度調(diào)制（PWM）集成控制器芯片應(yīng)用廣泛，常用于離線式電源和DC/DC電源，具有啟動(dòng)電流小、自動(dòng)前饋補(bǔ)償、Cycle By Cycle逐波限流功能以及外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。最終選擇UCC28C45作為PWM控制器IC，芯片最大占空比50%，工作溫度-40～105 ℃，溫度范圍可滿足工業(yè)應(yīng)用要求，電路如圖7所示。通過(guò)調(diào)整電路R1/C1參數(shù)，可使UCC28C45 RT/CT震蕩頻率為600 kHz、占空比40%，可滿足正激變壓器去磁過(guò)程對(duì)占空比的要求。UCC28C45 VCC最大耐受電壓18 V，而驅(qū)動(dòng)電源只有24 V輸入，因此變壓器需要小于18 V的VCC繞組給芯片供電。

圖6 驅(qū)動(dòng)電源輸出穩(wěn)壓方案

圖7 UCC28C45 PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路

6.2 驅(qū)動(dòng)變壓器設(shè)計(jì)流程

由于是24 V單電源輸入，超過(guò)了UCC28C45 IC的VCC工作范圍，因此需要變壓器輔助繞組VCC繞組。若采用穩(wěn)壓管去磁方案，則需要4個(gè)變壓器繞組，分別是原邊主功率繞組N1、原邊VCC輔助繞組N2、副邊兩組驅(qū)動(dòng)N3和N4。如果需要輔助去磁繞組，還需要額外增加一組去磁繞組N5。

6.2.1 變壓器磁芯選擇

環(huán)形磁芯在繞組較少的應(yīng)用中應(yīng)用廣泛，適用于3個(gè)繞組以內(nèi)的變壓器選擇。繞制成品原副邊線圈相隔很遠(yuǎn)，原副邊寄生電容Cps小且總高度可以做得低。根據(jù)目前電源需求，需要至少4個(gè)繞組，因此無(wú)法選用環(huán)形磁芯。此外，三電平IGBT工作的狀態(tài)決定了S1與S2或者S3與S4串聯(lián)最大耐壓承擔(dān)整個(gè)BUS母線電壓。以常規(guī)400 V電網(wǎng)應(yīng)用DNPC三電平變流器BUS電壓維持在800 V DC為例，驅(qū)動(dòng)變壓器副邊繞組N3和N4用于給S1與S2或者S3與S4供電，需要滿足耐壓相鄰兩個(gè)繞組耐壓在400 V DC（800 V DC/2）以上，變壓器骨架上面繞組最近的管腳爬電距離在4 mm以上。根據(jù)上述描述選擇滿足此要求的最小尺寸的磁芯及骨架，最終選用EPC17錳鋅鐵氧體磁芯并配套相應(yīng)的骨架。表2為橫店?yáng)|磁廠商（DMEGC）EPC17和錳鋅鐵氧體DMR95材質(zhì)的規(guī)格。

表2 DMEGC EPC DMR95錳鋅鐵氧體磁芯主要規(guī)格

6.2.2 變壓器設(shè)計(jì)推算過(guò)程

變壓器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)要推導(dǎo)計(jì)算過(guò)程如下[7]。首先，確定原副邊匝數(shù)比，即：

式中：VRdson為開關(guān)MOSFET自身Rdson上的壓降；Vf為副邊整流二極管正向?qū)▔航担c實(shí)際選用的元器件相關(guān)。

其次，求出原邊繞組N1的匝數(shù)Np：

其中，Bac按照表2中飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行降額至35%以內(nèi)使用來(lái)設(shè)計(jì)，以提高系統(tǒng)的可靠性。實(shí)際原邊Np為18 Ts。驅(qū)動(dòng)變壓器的可靠性在系統(tǒng)中至關(guān)重要，可以適當(dāng)多留裕量。在窗口占用率允許的情況下，適當(dāng)增加原邊的匝數(shù)，減少ΔB。根據(jù)公式推導(dǎo)，結(jié)合實(shí)際變壓器尺寸，設(shè)計(jì)變壓器原邊功率繞組為18 Ts，副邊驅(qū)動(dòng)電源繞組為21 Ts。UCC28C45供電用VCC繞組為10 Ts，輔助去磁繞組為18 Ts。

6.2.3 變壓器成品設(shè)計(jì)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)了兩款變壓器，如圖8所示，分別為穩(wěn)壓管去磁方案變壓器和輔助繞組去磁方案變壓器繞組。根據(jù)C=εS/D，減少繞組接觸面積，增大繞組之間的距離，均會(huì)減原副邊寄生電容Cps。最終，通過(guò)增大擋墻厚度至2 mm，增加原邊副本繞組之間繞組纏繞絕緣膠帶的層數(shù)至10層，增大原副邊繞組之間的距離，減少原副邊寄生電容。經(jīng)過(guò)測(cè)試，兩款變壓器原副邊寄生電容Cps小于10 pF。圖8（a）穩(wěn)壓管去磁方案中，N118Ts采用Φ0.2 2UEW-F 四股并繞，N210 Ts采用Φ0.2 2UEW-F單股繞線，N3&N421 Ts采用Φ0.2 2UEW-F單股繞線。圖8（b）去磁繞組去磁方案中，N118 Ts采用Φ0.2 2UEW-F兩股并繞，N218 Ts采用Φ0.2 2UEW-F 兩股并繞，N3、N4、N5全部采用與圖和（a）相同的Φ0.2 2UEW-F單股繞線方式。

6.2.4 驅(qū)動(dòng)電源成品測(cè)試

兩款驅(qū)動(dòng)電源輸出電壓均采用15 V穩(wěn)壓管穩(wěn)Vge+方案。以實(shí)際15 kHz驅(qū)動(dòng)IFX IGBT IKW75N65S5，對(duì)比測(cè)試驅(qū)動(dòng)結(jié)果如圖9所示。采用兩種去磁方式的驅(qū)動(dòng)變壓器，驅(qū)動(dòng)電源測(cè)試結(jié)果為Vge+為15 V、Vge-為-11 V、Vout為26 V，均滿足要求。

圖8 穩(wěn)壓管去磁與輔助繞組去磁變壓器繞組示意圖

7 結(jié) 論

本文介紹了常用IGBT驅(qū)動(dòng)器電源驅(qū)動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電源輸出電壓穩(wěn)壓方案。根據(jù)DNPC三電平電路特點(diǎn)，分析了1驅(qū)2驅(qū)動(dòng)變壓器的優(yōu)點(diǎn)和驅(qū)動(dòng)變壓器漏感的影響，并以DNPC三電平拓?fù)錇槔治隽嗽边吋纳娙軨ps對(duì)系統(tǒng)共模電流的影響。此外，設(shè)計(jì)了兩款應(yīng)用于DNPC且具較小原副邊寄生電容Cps的1驅(qū)2驅(qū)動(dòng)變壓器，并詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)過(guò)程。最后，測(cè)試兩款變壓器均滿足要求。