1 引言

隨著電力電子器件和高頻逆變電子技術的高速發(fā)展， 各種采用大功率逆變技術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、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)廠家相繼研制出各種驅動和保護電路并推向市場， 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、西門康的SKH I22A /B 等， 其中由于M57959 /57962具備較高的性價比， 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， 在驅動脈沖的上升和下降沿均需要提供數(shù)安的充放電電流， 才能滿足開通和關斷的動態(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(shù)實際應用場合， 采用的是傳統(tǒng)的變壓器降壓加線性穩(wěn)壓或傳統(tǒng)的變壓器降壓加一個或多個普通開關穩(wěn)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， 不能滿足現(xiàn)在對電源變換裝置體積、效率和適應性方面的要求。如果采用單個開關電源同時產(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。

輔助開關電源輸出平均功率約30W， 為簡化電路、縮小體積、提高可靠性， 單端反激變換器為最佳選擇。但在實際情況下， 有些大功率IGBT 電源變換裝置的輸入是沒有中線的三相三線制電源（如電焊機）， 這就要求輔助開關電源能在380 V AC 輸入條件下工作（最高可達460 V AC ） ， 此時開關管的耐壓要求應在1 200 V 以上， 給器件的選擇帶來難度。

筆者在設計一套26. 4 kW 的大功率IGBT 電源變換裝置時， 針對厚膜驅動電路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關電源。

2 電路結構及工作原理

380 V AC 輸入、多路輸出輔助開關電源電原理圖如圖1所示。在圖1中， 使用了一只常見的美國PI公司第二代功率開關集成電路TOP224Y.這是一種大規(guī)模功率IC， 不僅集成了振蕩電路、啟動電路、PWM 控制電路、過流保護電路、過熱保護電路，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1 300 V， 便可以將1 200 V 以上的電壓分配在這兩個器件上， 使該電源能安全應用于380V AC 輸入的高壓場合。

圖1 380 V AC 輸入、多路輸出輔助開關電源電原理圖

如圖1所示， 輔助開關電源共有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(wěn)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(wěn)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是串接關系。當1N101內部的MOSFET導通時， 把1N101的源極電壓拉到低電平， 1V104導通。穩(wěn)壓二極管1V105則限制了1V104的柵源電壓， 使其不致因過壓而被擊穿。當1N101關斷時， 1V105失壓， 1V104同時關斷， 此時1V107、1V108和1V109串聯(lián)構成一個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， 超過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(xiàn)的電壓尖峰。

由于采用的是初級反饋的穩(wěn)壓方式， 輔助繞組輸出一方面對控制電路提供電源， 同時經(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1N102 比較放大， 調整流過三極管1V106的電流， 即流入1N101的電流， 從而達到穩(wěn)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 開關電源電原理圖

如果使用PI公司第四代功率開關集成電路TOPSw itch- GX系列， 只需增加2個電阻， 就可以使該電源具備輸入過壓、欠壓保護功能和過流保護編程能力， 同時還具備開關頻率抖動功能， 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輸入并整流濾波， 再通過對電路元器件和開關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、中線沒有接上或者電網(wǎng)出現(xiàn)浪涌、甚至電壓長時間下降的情況下， 仍然可以很好地工作， 其電原理圖如圖2所示。

3 試驗數(shù)據(jù)

筆者對圖1所示電路的輔助電源實物進行了測試。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(wěn)壓效果和遠高于傳統(tǒng)輔助電源供電方式的工作效率。表1為源效應測試數(shù)據(jù)， 圖3為效率隨輸入電壓的變化曲線。由于輸入供電電源可調范圍有限， 因此僅有最高440 V AC時的測試數(shù)據(jù)。試驗時輔助電源各路輸出負載總功率約為30W.

4 結語

用圖1所示電路制作的實物測試數(shù)據(jù)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%。

該開關電源外形尺寸為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 驅動電路用多路輸出輔助電源， 電路簡單， 體積小、重量輕、效率高， 具有很高的實用價值。筆者將其作為輸出功率達26. 4 kW電源變換裝置中IGBT 混合厚膜驅動電路M57962的輔助供電電源， 投入實際運行后， 工作正常、安全、可靠， 完全滿足設計要求。