0 引言

    近年來,，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,，特種電源技術(shù)也得到飛速發(fā)展。高壓電源作為特種電源的一種,，在醫(yī)學(xué),、環(huán)境學(xué)、航空航天以及電信等領(lǐng)域也發(fā)揮著越來越重要的作用^[1-3],。目前,，大功率直流高壓電源普遍采用全橋逆變電路實(shí)現(xiàn)低頻交流向高頻交流的轉(zhuǎn)換，從而降低變壓器的體積,，提高電源效率,。IGBT由于其兼?zhèn)鋱鲂?yīng)管易于驅(qū)動(dòng)、控制簡單,、開關(guān)頻率高的優(yōu)勢與BJT雙極型器件低飽和壓降,、容量大的特點(diǎn),，被廣泛應(yīng)用于大功率全橋逆變電路中,。然而，IGBT存在關(guān)斷電流拖尾現(xiàn)象^[4],，處理不當(dāng)很容易造成器件擊穿,。為了保證IGBT可靠關(guān)斷，通常采用IGBT專用驅(qū)動(dòng)模塊,，實(shí)現(xiàn)IGBT負(fù)壓關(guān)斷,，保證全橋逆變電路的安全運(yùn)行。

    全橋逆變電路中,，四個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)電路不全共地,，為了保證驅(qū)動(dòng)電路工作的一致性，需要四組隔離電源分別為驅(qū)動(dòng)電路供電,。鑒于反激式開關(guān)電源具有電路拓?fù)浜唵?，輸入輸出電氣隔離,、能夠高效提供多路直流輸出的特點(diǎn)，本文以單端反激變換器為主電路,，采用峰值電流型PWM控制芯片UC3845設(shè)計(jì)了一種實(shí)用新型的11繞組,，9路直流隔離輸出的開關(guān)電源。

1 輔助電源設(shè)計(jì)要求

    M57962L作為IGBT專用柵極驅(qū)動(dòng)器^[5],，模塊采用正負(fù)雙電源供電(+15 V與-10 V),，圖1為采用M57962L的IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。

    為實(shí)現(xiàn)全橋電路四個(gè)IGBT專用驅(qū)動(dòng)模塊的隔離供電,，輔助電源采用反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì),，具體設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

    (1)輸入：220 V AC，電壓波動(dòng)±20%,；

    (2)輸出：4路IGBT驅(qū)動(dòng)隔離供電輸出(+15 V/0.5 A,，-10 V/0.5 A)，1路控制電路供電輸出(+12 V/1.5 A),，1路輔助繞組輸出(+15 V)用于PWM控制芯片供電,，輸出電流較小，參數(shù)計(jì)算可忽略,。

    (3)工作頻率：65 kHz,；輸出功率：68 W；工作效率≥85%,。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

    反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)部分：EMI濾波與全波整流,、RCD箝位吸收、高頻變壓器設(shè)計(jì),、環(huán)路反饋調(diào)節(jié)以及PWM控制芯片外圍電路設(shè)計(jì),，下面進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.1 硬件電路結(jié)構(gòu)與工作原理

    圖2為所設(shè)計(jì)的IGBT隔離驅(qū)動(dòng)輔助電源的整體電路圖,。上電后,，220 V工頻交流電經(jīng)過EMI濾波、全波整流和濾波電容C3,、C4后得到310 V左右的直流,；310 V直流電通過啟動(dòng)電阻R_start對(duì)電容C23充電，當(dāng)電壓上升至門檻電壓（8.4 V）時(shí),，UC3845開始工作,；然后由反饋繞組供電，電壓維持在+15 V左右,。+12 V輸出繞組兩端的電壓通過PC817與TL431構(gòu)成的環(huán)路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)將輸出電壓反饋信號(hào)輸入到UC3845的反饋端（VFB端）,。UC3845根據(jù)副邊輸出電壓反饋信號(hào)與原邊輸入電流采樣信號(hào)調(diào)節(jié)PWM輸出信號(hào)的占空比，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的穩(wěn)壓輸出。

2.2 EMI濾波與全波整流

    開關(guān)電源在工作過程中,，開關(guān)噪聲的存在會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生電磁干擾,，為減輕開關(guān)電源帶來的電網(wǎng)高次諧波干擾，同時(shí)提高開關(guān)電源的抗干擾能力,，電路設(shè)計(jì)中需要加入EMI濾波器^[6,，7]。

2.3 RCD箝位電路設(shè)計(jì)

    由于變壓器漏感的存在,，使得開關(guān)管關(guān)斷時(shí),，由漏感儲(chǔ)能引起的電流突變會(huì)產(chǎn)生較大的關(guān)斷電壓尖峰，造成開關(guān)管擊穿,，因此需要設(shè)計(jì)箝位吸收電路對(duì)關(guān)斷電壓尖峰進(jìn)行抑制,，從而減小開關(guān)應(yīng)力，保證開關(guān)電源的正常工作,。

    箝位電路分有源箝位和無源箝位兩種,，兩者各有利弊。無源箝位電路不需要驅(qū)動(dòng)和控制電路,，應(yīng)用性強(qiáng),，成本低；有源箝位電路需要額外的驅(qū)動(dòng)和控制電路,，成本較高,。綜合兩者的利弊，本設(shè)計(jì)采用RCD無源箝位吸收電路^[8,，9],，在保證電源效率和安全工作的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)關(guān)斷電壓尖峰的有效抑制,，減小了開關(guān)管的應(yīng)力,。

2.4 高頻變壓器設(shè)計(jì)

    高頻變壓器^[10，11]作為開關(guān)電源的關(guān)鍵部件,，兼有儲(chǔ)能,、限流、隔離的作用,。變壓器設(shè)計(jì)中磁芯材料,、參數(shù),、結(jié)構(gòu)的正確選取對(duì)開關(guān)電源工作品質(zhì)和性能的提高具有重要的促進(jìn)作用,。考慮到磁材工作頻率,、成本和效率等因素,，基于鐵氧體磁芯具有中高頻損耗低、磁導(dǎo)率頻率特性穩(wěn)定以及成本低的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用鐵氧體磁芯材料,。下面對(duì)反激變壓器的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)闡述,。

2.4.1 初級(jí)繞組電感

    在不考慮變壓器漏感的情況下，變壓器每個(gè)工作周期內(nèi)傳輸?shù)哪芰砍艘怨ぷ黝l率即為輸出功率P_o：

2.4.2 最小占空比計(jì)算

    當(dāng)直流輸入電壓U_i最大時(shí),，開關(guān)管的占空比取得最小值,，即：

2.4.3 磁芯選擇

    采用面積乘積法對(duì)磁芯尺寸進(jìn)行估計(jì)。當(dāng)已知初級(jí)繞組的線徑時(shí),，帶繞組的磁芯所占的AP^*值可以表示如下：

    查詢常用鐵氧體磁芯參數(shù)表,，在保留一定裕量的條件下，EE40磁芯滿足功率傳輸要求：A_e=1.27 cm²,，A_w=1.78 cm²,，AP^′=A_eA_w≈2.2 cm⁴>AP。

2.4.4 初次級(jí)繞組及輔助繞組匝數(shù)

    初級(jí)繞組匝數(shù)為：

    由于次級(jí)繞組為多路輸出,，考慮將最小輸出電壓10 V作為主輸出進(jìn)行計(jì)算,，并假設(shè)次級(jí)整流二極管正向?qū)▔航禐?.7 V，則次級(jí)繞組匝數(shù)為

    其中,，N₁₀,，N₁₅，N₁₂,，N_a分別為次級(jí)-10 V,，+15 V，+12 V輸出繞組與輔助繞組匝數(shù),。

2.4.5 初次級(jí)繞組及輔助繞組線徑計(jì)算

    繞組線徑與繞組中流過的電流關(guān)系為

    考慮高頻下電流趨膚效應(yīng)的影響,，對(duì)應(yīng)開關(guān)頻率f_s下的趨膚深度為δ，則繞組單根線徑應(yīng)小于2δ,，因此常采用多股并繞,。

2.4.6 氣隙長度l_g

    對(duì)于單向勵(lì)磁變壓器設(shè)計(jì)，為防止磁芯工作過程中發(fā)生磁飽和,，通常采用添加氣隙的方式予以避免,。氣隙長度為：

2.5 TL431A+PC817A環(huán)路反饋補(bǔ)償

    為保證IGBT可靠開通與關(guān)斷,實(shí)現(xiàn)全橋逆變電路的穩(wěn)定工作,一方面對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路供電電源輸出電壓的穩(wěn)定性有要求；另一方面,，由于驅(qū)動(dòng)電路屬于動(dòng)態(tài)負(fù)載,，因此對(duì)供電電源的負(fù)載調(diào)整率也有要求?；谌思煞€(wěn)壓器件TL431A和線性光耦PC817A的環(huán)路反饋補(bǔ)償^[12,，13]設(shè)計(jì)在提升電源輸出的穩(wěn)定性與負(fù)載調(diào)整率方面具有重要的促進(jìn)作用。

    開關(guān)電源環(huán)路補(bǔ)償有兩種控制模式：電流控制和電壓控制,。為簡化環(huán)路設(shè)計(jì),，提高環(huán)路補(bǔ)償響應(yīng)速度,，本文在電流控制模式下，采用二階環(huán)路補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)對(duì)開關(guān)電源的輸出進(jìn)行反饋補(bǔ)償,。

    取R₇=300 kΩ,，C₂₇=20 pF，C₂₈=10 nF,，則補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

    圖3為環(huán)路補(bǔ)償電路開環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖,。圖中穿越頻率處開環(huán)傳遞函數(shù)的相位裕量大于90°，低頻增益為40 dB,，中頻增益為20 dB,，可見該二階環(huán)路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以有效提高電源輸出電壓調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性與快速性。

2.6 UC3845外圍電路主要參數(shù)設(shè)計(jì)

    UC3845的占空比調(diào)節(jié)范圍為0～50%,，其PWM輸出頻率為時(shí)鐘頻率的一半,。本設(shè)計(jì)中，PWM頻率為65 kHz,，因此時(shí)鐘頻率為130 kHz,，取定時(shí)電容C_T=1 nF，則定時(shí)電阻為：

    保留一定余量,，取采樣電阻值為0.5 Ω/2 W,。

3 仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)方案的可行性與完整性，本文采用了軟件仿真與樣機(jī)研制測試相結(jié)合的分析方法對(duì)該電源的性能進(jìn)行分析測試,。

3.1 Saber軟件仿真

    根據(jù)圖2電路參數(shù)的設(shè)置,，采用Saber軟件進(jìn)行仿真得到如圖4所示的電源工作特性曲線分析圖。

    從圖4中曲線分析的結(jié)果可得出如下結(jié)論：

    (1)環(huán)路控制流程：UC3845開始工作后,，環(huán)路補(bǔ)償輸出V_COMP為最大值,，此時(shí)PWM輸出最大占空比為0.383 65，電流反饋起主要作用,；隨著+12 V繞組輸出電壓的升高,，V_COMP逐漸下降直至輸出電壓穩(wěn)定，此時(shí)電壓反饋與電流反饋聯(lián)合調(diào)節(jié)PWM的輸出,，占空比隨負(fù)載的大小可變,；

    (2)環(huán)路控制的穩(wěn)定性：V_a過沖電壓為0.307 52 V，相對(duì)于穩(wěn)定輸出電壓,，過沖量為2.05%,；+12 V繞組輸出電壓V_{+12 V}平滑無過沖，穩(wěn)定輸出電壓的紋波電壓為0.017 69 V,；可見環(huán)路反饋控制的穩(wěn)定性強(qiáng),，精度高；

    (3)環(huán)路控制的快速性：UC3845開始工作后,，環(huán)路補(bǔ)償輸出以12 431 V/s的壓擺率上升至最大值,，電流反饋主要作用,，PWM占空比最大,，V_{+12 V}以2 516.9 V/s的壓擺率上升至穩(wěn)定輸出電壓,；當(dāng)V_{+12 V}趨于穩(wěn)定時(shí)（t_settle=0.163 68 s），V_COMP滯后1.09 ms趨于穩(wěn)定（t_settle=0.164 77）,；由此可見環(huán)路控制具有很高的調(diào)節(jié)速度,。

    開關(guān)管在工作過程中，RCD箝位吸收電路對(duì)開關(guān)管的關(guān)斷尖峰抑制具有重要作用,?？紤]電源工作效率與選用MOS管的耐壓（V_ds=800 V），仿真中箝位電阻選用兩個(gè)56 kΩ電阻并聯(lián),，箝位電容容值為10 nF,，得到如圖5所示的MOSFET在不同負(fù)載下漏源電壓波形。

    從圖5中可見：輕載時(shí),，PWM占空比為0.070 519,，漏源電壓峰值為539.91 V；重載時(shí),，PWM占空比為0.317 88,，漏源電壓峰值為662.75 V。對(duì)于耐壓800 V的MOSFET,，開關(guān)管始終工作在安全電壓應(yīng)力范圍內(nèi),，擁有足夠的電壓裕量。

3.2 實(shí)驗(yàn)測試與分析

    依據(jù)理論計(jì)算與仿真分析的結(jié)果,，研制了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī),，并對(duì)其性能進(jìn)行了測試與分析。

3.2.1 高頻變壓器繞制參數(shù)

    為驗(yàn)證上述變壓器設(shè)計(jì)的正確性,，對(duì)高頻變壓器進(jìn)行實(shí)際繞制,，實(shí)際繞制參數(shù)如表1所示。

3.2.2 開關(guān)電源性能測試

    對(duì)樣機(jī)的4路正負(fù)雙輸出的電壓值進(jìn)行測量,，得到如表2所示的差異分析表,。從表2中可以看出，4路雙輸出隔離電源的輸出電壓具有高度一致性,，輸出電壓穩(wěn)定,，誤差在3%以內(nèi)；輸出紋波小,，紋波峰峰值在100 mV以內(nèi),。有效保證了全橋逆變電路中IGBT驅(qū)動(dòng)電平的一致性，延長了IGBT的使用壽命,。

3.2.3 原邊電流采樣與柵極驅(qū)動(dòng)波形

    圖6為開關(guān)管工作過程中變壓器原邊電流采樣與柵極驅(qū)動(dòng)波形,，可以看到原邊電流與柵極驅(qū)動(dòng)波形平滑穩(wěn)定,，說明該電源設(shè)計(jì)具有較高的穩(wěn)定性。電源連續(xù)工作2小時(shí),，開關(guān)管未見明顯升溫,，說明開關(guān)管能夠在安全電壓下開通與關(guān)斷，RCD箝位吸收電路達(dá)到了預(yù)期的箝位效果,。

3.2.4 IGBT專用驅(qū)動(dòng)模塊PWM輸入輸出波形

    將該電源應(yīng)用于逆變?nèi)珮螂娐分蠭GBT驅(qū)動(dòng)模塊M57962L的隔離供電,，檢驗(yàn)該電源在動(dòng)態(tài)負(fù)載下的穩(wěn)定性。如圖7為M57962L的PWM輸入輸出電壓波形,，可以看到在24 kHz的PWM輸入頻率下,，模塊PWM輸出波形中正負(fù)電平輸出具有嚴(yán)格的平穩(wěn)性，波形邊沿陡峭,，可以有效驅(qū)動(dòng)IGBT的正壓開通與負(fù)壓關(guān)斷,，保證IGBT的可靠工作。

4 結(jié)論

    本文著手于解決高壓電源中全橋逆變主電路中功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路的可靠供電問題,，設(shè)計(jì)了基于反激式多繞組輸出的開關(guān)穩(wěn)壓電源,，為全橋電路IGBT專用驅(qū)動(dòng)模塊以及單片機(jī)控制電路的隔離供電提供了良好的解決方案。當(dāng)然,，為了充分保障IGBT的可靠運(yùn)行,，合適的驅(qū)動(dòng)是一方面；另一方面是如何對(duì)由全橋回路分布電感引起的關(guān)斷電壓尖峰進(jìn)行有效抑制,，因此還需設(shè)計(jì)合適的緩沖吸收電路^[14,，15]，這部分的研究是今后工作的重點(diǎn),。

    通過計(jì)算機(jī)仿真與樣機(jī)制作測試,，驗(yàn)證了理論分析的完整性與實(shí)用性。該電源具有結(jié)構(gòu)簡單,、輸出電壓穩(wěn)定,、負(fù)載調(diào)整率高、紋波小等優(yōu)點(diǎn),。達(dá)到了預(yù)期要求,，能夠滿足IGBT驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)電源電壓、電流的要求,，從而在驅(qū)動(dòng)方面保障了IGBT的可靠工作與穩(wěn)定運(yùn)行,。該方案的實(shí)施既可以作為全橋逆變電路驅(qū)動(dòng)模塊隔離供電電源的一種解決方案，同時(shí)也可用于多電平轉(zhuǎn)換電源適配器的供電需求,，因此具有良好的應(yīng)用前景,。

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