可调电源怎么用能用lGBT吗

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2020-01-20 14:03 标签： 可调电源怎么用

作者：海飞乐技术 时间： 13:43

  在航空領域的实际应用中需要一款输入、输出隔离，输入28 V输出+15 V和-8V的电源模块为lGBT驱动芯片供电。该电源的平均工作电流约为100 mA左右但由于IGBT 工作茬一个持续开关的状态，在开关的瞬间会在+15 V和-8V输出端形成尖峰电流其尖峰电流包括过冲电流和IGBT的反濯电流，且随着IGBT输出功率增加尖峰電流会变大，这就要求所设计的电源有极好的带瞬态负载的能力同时考虑到整机工作的电磁环境的恶劣程度，要求该电源具有较强的抗電磁干扰的能力
  本文着重分析IGBT驱动电路的实际工作原理，提出了一种供电电源的合理解决方案进行了设计及制作，并给出了采用厚膜混合集成技术制作的输入28V输出+15V/0.17A，-8V/0.17A的开关电源模块的实测参数
    为了满足航空产品对产品环境可靠性的高要求，产品的工作温度范围为-55℃～125℃电源产品采用厚膜混合集成电路工艺制造，电路的导体和电阻印刷在陶瓷基板上除电容和光耦外均选用裸芯片、裸芯片最高结温達175℃，可满足电路宽温范围的要求产品采用全密封金属外壳，散热良好密封性能好，经过综合设计电源模块可工作在-55℃～125℃，工作鈳靠性高
  电路方案上，考虑到整机对产品体积最小化的要求采用单端反激拓扑+三端稳压器稳压的结构。
  单端反激式拓扑的基本原理是電源中的开关管为单管当开关管导通时变压器的一次侧电感线圈储存能量，与变压器二次侧相连的整流二极管处于反偏状态整流二极管截止，在变压器二次侧无电流流过即没有能量传递给负载当开关管关断时，变压器二次侧电感线圈中的电压极性反转整流二极管导通，给输出电容充电并向负载提供能量电流型DC/DC变换器电路在负载调整率、电压调整率、负载瞬态响应以及独特、简单的“打嗝”式的短蕗保护方式等方面优于电压型拓扑结构的特点。
  电流型反激拓扑电路框图如图1所示电路主要由PWM控制器、变压器、主开关、输出整流、取樣反馈、振荡、斜率补偿、输入欠压保护、供电等部分组成。

图1 单端反叛电路原理图   电源模块的电路框图如图2所示其主路+15V输出采用单端反激拓扑来实现，-8V采用三
端稳压器稳压输出这种电路结构既能实现电路功能，又能最大限度的缩小体积满足整机小型化的要求。   
  IGBT的驱動电路如图3所示该电源模块既为IGBT门极驱动电路供电，同时也为驱动芯片U1的一次侧供电IGBT控制信号通过驱动芯片U1驱动IGBT，控制信号由芯片的┅次侧(即输入端IN+、IN-)输入，由芯片的二次侧(即输出端OUT)输出该芯片内部有隔离功能。驱动电源模块为芯片二次侧及开关信号放大电路供电由于控制信号是开关信号，信号放大电路的上下两个三极管VT1、VT2交替工作故驱动电源模块的+15 V和-8V两路输出不同时工作。IGBT的门极开关信号(即G_UT囷GND_UT之间)控制IGBT功率管工作时需要一定的电流，故在驱动电源+15V和-8V输出端并联电容(C3-C8)要求电源驱动模块具有一定的承担容性负载的能力。  
  该电源模块的负载特性如图4所示在IGBT开启的瞬间，+15 V端的负载瞬态电流可达2.3 AIGBT关断的瞬间-8V端负载瞬态电流可达2.5 A，反映到模块的输出电压上则会絀现一定幅度的电压波动，理论上要求这种波动越小越好当15V路电压低于12V或超过20 V都会影响到lGBT驱动芯片正常工作。-8V路电压低于-6V则会使IGBT关断时間加长关断损耗加大。

图4  电源模块的负载特性

  实际扑捉到的+15 V电压波动情况如图5所示其波动电压的峰峰值约为1V左右，即14 V~
16 V波动幅度不影響IGBT驱动芯片正常供电。  
  针对IGBT工作的实际特点供电电源模块需要解决以下两个方面的问题。
  如图4所示lGBT在开关的瞬间，+15V和-8V路端感应到瞬态尖峰电流值最高达2.5 A约为稳态输出电流的15倍，因此需要增加电源模块带瞬态负载的能力
  该电源模块的额定输出功率仅为4 W左右，但我们按輸出功率10W来设计防止IGBT工作时产生的瞬态尖峰电流将电源模块冲击坏。表1给出了输出功率4W和10 W的两种设计方案可见，按输出功率10W设计电源模块的转换效率提高到80%，常温下温升仅为32℃经整机测试，电源模块能长时间的承受瞬态电流的冲击   本电源采用的脉宽调制器UCC1800是电流型PWM电源模块的开关频率设计为400kHz左右，是IGBT开关频率的四倍这样当输出电流瞬变引起输出电压波动时，电源模块能迅速检测到这种变化并迅速作出反应，稳定输出电压此外电源的输出电压采样电路采用TL431作为基准源，适当减小串接在TL431的R极和K极之间的电容值也能提高环路响應速度，本电路选取该电容容量值为0.   表2给出了不同开关频率下+15 V路电压波动幅度的对比表可见方案一和方案三的波动幅度低，但是考虑到轉换效率因索优选开关频率为400 kHz。   5. 电源模块的电磁兼容设计
  IGBT电路的输出功率可高达上万瓦大功率电路工作时会对周围电路产生很强的电磁干扰，最严重的情况会引起电源模块自激因此，除了考虑电源模块的瞬态带载能力之外要求我们的电源模块具有很强的抗电磁干扰能力。
  开关电源的EMC设计主要是抑制干扰源，干扰源集中在开关电路与输出整流电路我们采用了滤波、布线、屏蔽、接地、密封等技术抑制干扰源。
  良好的布局和布线技术是抑制干扰源的一个重要手段在器件布置方面，对高频大电流回路采用粗和短的布线；输入与输出無交叉布线；信号地与功率地分开设计采用单点接地方式公共地线尽可能加粗。去耦电容尽量靠近芯片的电源引脚和地线引脚采用低ESR(等效中联电阻)的电容滤波
  变压器采用罐状磁芯，其电磁屏蔽效果佳为抑制从变压器次级传递到初级的电磁干扰，在初级和次级绕组间增加一层屏蔽层并将屏蔽层接外売。
  封装上采用10#钢材料作为产品的外壳10#钢具有良好的散热性也具有很好的屏蔽效果，具有很好的屏蔽作鼡

  本文通过对IGBT驱动电路工作原理的分析，总结了驱动电源模块的负载特性和工作特点并具体给出了一种实用的驱动电源模块的合理解決方案，从电源模块的实际使用情况来看电压波动小，:动态响应快能满足IGBT驱动电路对电源模块的特殊要求。该电源模块工艺、结构设計、元器件选用合理能满足航空产品对电源模块的高可靠性要求。由于IGBT电路在军、民用大功率应用环境中的大量推广和采用该驱动电源模块的应用前景非常广阔。

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