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1 引言 隨著(zhù)電力電子器件和高頻逆變電子技術(shù)的高速發(fā)展， 各種采用大功率逆變技術(shù)的電源變換裝置被大量應用于各種行業(yè)， 如變頻器、電鍍、電弧爐、UPS、電氣化機車(chē)、通信電源、電焊機等， 而IGBT 由于其集雙極型功率晶體管和功率MOSFET 的優(yōu)點(diǎn)于一體的相對優(yōu)異的綜合電性能指標， 在上述電源變換裝置中被廣泛使用。 為了最大限度發(fā)揮IGBT 的優(yōu)越性， 各生產(chǎn)廠(chǎng)家相繼研制出各種驅動(dòng)和保護電路并推向市場(chǎng)， 如三菱公司的M57959 /57962、富士電機的EXB840/841、東芝公司的TLP250、惠普公司的HCLP- 316J、西門(mén)康的SKH I22A /B 等， 其中由于M57959 /57962具備較高的性?xún)r(jià)比， 因而在各種大功率IGBT 電源變換裝置中得到了廣泛應用。 每個(gè)M57959 /57962 需要正負兩種輔助電源，并且由于大功率IGBT柵極- 發(fā)射極間存在較大的寄生電容， 在驅動(dòng)脈沖的上升和下降沿均需要提供數安的充放電電流， 才能滿(mǎn)足開(kāi)通和關(guān)斷的動(dòng)態(tài)要求， 這使得正負兩種輔助電源必須能輸出一定的峰值電流。一般情況下， 大功率IGBT 電源變換裝置多采用全橋電路拓撲， 因此需要8 路共4對相同的正負兩種輔助電源。在大多數實(shí)際應用場(chǎng)合， 采用的是傳統的變壓器降壓加線(xiàn)性穩壓或傳統的變壓器降壓加一個(gè)或多個(gè)普通開(kāi)關(guān)穩壓器的供電方式， 不僅體積、重量大， 而且效率低， 對輸入電壓適應范圍窄， 不能滿(mǎn)足現在對電源變換裝置體積、效率和適應性方面的要求。如果采用單個(gè)開(kāi)關(guān)電源同時(shí)產(chǎn)生該8路共4 對相同的正負兩種輔助電源， 則可以彌補這些不足。 輔助開(kāi)關(guān)電源輸出平均功率約30W， 為簡(jiǎn)化電路、縮小體積、提高可靠性， 單端反激變換器為最佳選擇。但在實(shí)際情況下， 有些大功率IGBT 電源變換裝置的輸入是沒(méi)有中線(xiàn)的三相三線(xiàn)制電源(如電焊機)， 這就要求輔助開(kāi)關(guān)電源能在380 V AC 輸入條件下工作(最高可達460 V AC ) ， 此時(shí)開(kāi)關(guān)管的耐壓要求應在1 200 V 以上， 給器件的選擇帶來(lái)難度。 筆者在設計一套26. 4 kW 的大功率IGBT 電源變換裝置時(shí)， 針對厚膜驅動(dòng)電路M57962的需求， 研制了一種小體積、高可靠的380 V AC 輸入、多路輸出小功率輔助開(kāi)關(guān)電源。 2 電路結構及工作原理 380 V AC 輸入、多路輸出輔助開(kāi)關(guān)電源電原理圖如圖1所示。在圖1中， 使用了一只常見(jiàn)的美國PI公司第二代功率開(kāi)關(guān)集成電路TOP224Y.這是一種大規模功率IC， 不僅集成了振蕩電路、啟動(dòng)電路、PWM 控制電路、過(guò)流保護電路、過(guò)熱保護電路，而且集成了一只700 V 的功率MOSFET.該功率IC與使用一只分立MOSFET 和外接控制集成電路的方案相比， 可以減少約20個(gè)外圍元件。由于內含MOSFET 的額定電壓是700 V， 只能用于單相220 VAC輸入， 因此再串聯(lián)一個(gè)額定電壓不低于600 V的功率MOSFET ( 1V104) ， 內外兩只功率MOSFET 耐壓之和超過(guò)1 300 V， 便可以將1 200 V 以上的電壓分配在這兩個(gè)器件上， 使該電源能安全應用于380V AC 輸入的高壓場(chǎng)合。 
圖1 380 V AC 輸入、多路輸出輔助開(kāi)關(guān)電源電原理圖 如圖1所示， 輔助開(kāi)關(guān)電源共有A、B、C、D 4對不共地的+ 15 V、- 9 V 輸出， 由于該電源的平均輸出功率比較恒定， 且4對輸出指標要求完全相同， 因此采用了初級反饋的穩壓方式。精密基準TL431( 1N102)的應用， 使該多路輸出電源的輸出電壓具備極高的穩定度指標。正常情況下， 整流濾波后的約530 V 直流電壓加在變壓器的初級繞組一端， 初級繞組的另一端接至外接MOSFET 1V 104 的漏極。1V 104 與1N101( TOP224Y)內部的MOSFET是串接關(guān)系。當1N101內部的MOSFET導通時(shí)， 把1N101的源極電壓拉到低電平， 1V104導通。穩壓二極管1V105則限制了1V104的柵源電壓， 使其不致因過(guò)壓而被擊穿。當1N101關(guān)斷時(shí)， 1V105失壓， 1V104同時(shí)關(guān)斷， 此時(shí)1V107、1V108和1V109串聯(lián)構成一個(gè)550 V 箝位電路， 確保1N101的漏極電壓保持在550 V 左右。當輸入直流電壓高于550 V 時(shí)， 超過(guò)550 V 的那部分電壓便加在1V104上， 這樣可把反激電壓和直流母線(xiàn)電壓按設計分配在1V104和1N101內部的MOSFET上。在反激期間， 由1V102A、1V 102B和1V103組成的箝位電路限制了由于變壓器漏感在1V104和1N101上出現的電壓尖峰。 由于采用的是初級反饋的穩壓方式， 輔助繞組輸出一方面對控制電路提供電源， 同時(shí)經(jīng)1R107和1RP101向反饋控制電路提供比例于輸出電壓的取樣信號， 經(jīng)過(guò)1N102 比較放大， 調整流過(guò)三極管1V106的電流， 即流入1N101的電流， 從而達到穩定輸出電壓的目的。
圖2 采用第四代功率IC的寬電壓輸入、多路輸出輔助 開(kāi)關(guān)電源電原理圖 如果使用PI公司第四代功率開(kāi)關(guān)集成電路TOPSw itch- GX系列， 只需增加2個(gè)電阻， 就可以使該電源具備輸入過(guò)壓、欠壓保護功能和過(guò)流保護編程能力， 同時(shí)還具備開(kāi)關(guān)頻率抖動(dòng)功能， 從而改善電源的電磁兼容指標。另外， 如果將本輔助電源的輸入接成三相四線(xiàn)輸入并整流濾波， 再通過(guò)對電路元器件和開(kāi)關(guān)變壓器的合理的選取和設計， 可以使其在輸入為單相115 V AC、220 V AC 或三相200 VAC、380 V AC或在輸入失去一相或者不止一相、中線(xiàn)沒(méi)有接上或者電網(wǎng)出現浪涌、甚至電壓長(cháng)時(shí)間下降的情況下， 仍然可以很好地工作， 其電原理圖如圖2所示。3 試驗數據 筆者對圖1所示電路的輔助電源實(shí)物進(jìn)行了測試。測試結果表明， 該輔助電源可以在380 V AC輸入條件下安全可靠地運行， 并在較寬的輸入電壓范圍內保持很好的穩壓效果和遠高于傳統輔助電源供電方式的工作效率。表1為源效應測試數據， 圖3為效率隨輸入電壓的變化曲線(xiàn)。由于輸入供電電源可調范圍有限， 因此僅有最高440 V AC時(shí)的測試數據。試驗時(shí)輔助電源各路輸出負載總功率約為30W.
4 結語(yǔ) 用圖1所示電路制作的實(shí)物測試數據表明， 在220~ 440 V AC 較寬的輸入電壓變化范圍內， 輔助電源的源效應小于0. 5%， 工作效率則不低于70%。 該開(kāi)關(guān)電源外形尺寸為113 mm 61 mm 32. 5mm， 重量為150 g， 作為三相380 V AC 輸入的大功率電源變換裝置中IGBT 驅動(dòng)電路用多路輸出輔助電源， 電路簡(jiǎn)單， 體積小、重量輕、效率高， 具有很高的實(shí)用價(jià)值。筆者將其作為輸出功率達26. 4 kW電源變換裝置中IGBT 混合厚膜驅動(dòng)電路M57962的輔助供電電源， 投入實(shí)際運行后， 工作正常、安全、可靠， 完全滿(mǎn)足設計要求。 |
