徐關澄，孟向軍,2，呂 淼，李鵬翔

（1.西安許繼電力電子技術有限公司，陜西 西安 710075；2.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

0 引 言

開關電源是一種利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，開關電源技術不斷創(chuàng)新，促使高頻開關電源應運而生[1]。

驅(qū)動電源的設計對于一個電力電子設備來說意義重大。設計優(yōu)良的驅(qū)動電源可以減小開關器件的損耗，確保開關管安全高效地開通、關斷。結合大功率雙向變流器產(chǎn)品項目的驅(qū)動需求，設計一個驅(qū)動功率為4 W、輸入電壓范圍為15 V DC、輸出8路驅(qū)動電壓的驅(qū)動開關電源，用于驅(qū)動不同種類的開關管。要求該驅(qū)動電源外圍電路簡單，易于調(diào)試，成本低廉。

1 驅(qū)動電源設計概況

本次設計的驅(qū)動電路總體設計采用15 V DC輸入，利用控制芯片UC2845及其外圍電路產(chǎn)生驅(qū)動脈沖信號。芯片IXDN609SI對驅(qū)動脈沖信號進行推挽放大，通過驅(qū)動變壓器對電壓進行隔離及升壓。輸出電路采用由電容及二極管組成倍壓電路，以滿足不同需求驅(qū)動電壓類型的開關管（如IGBT、MOS管以及SIC MOS管等），如圖1所示。

圖1 驅(qū)動電源設計框圖

2 驅(qū)動電源主回路設計

2.1 傳統(tǒng)推挽放大電路及其改進型電路分析及設計

傳統(tǒng)的放大電路由兩只三極管對管搭建推挽電路來完成，一般采用一只NPN型三極管和一只PNP型三極管完成，如圖2所示。

圖2中的三極管Q1是NPN型三極管，集電極C接供電電源，Q2是PNP型三極管，集電極C接地。兩只三極管的基極相連后接驅(qū)動信號輸入，發(fā)射極相連后放大輸出。

圖2 傳統(tǒng)推挽放大電路

采用上述電路時，根據(jù)N管的工作特點，輸出信號電壓幅值會比輸入信號的電壓幅值低0.7 V。所以，該電路對輸入信號的電壓幅值具有一定的要求，否則可能會因為輸入信號的電壓幅值過低而導致后極電壓信號幅值不足。當輸入信號電壓過低時，如果推挽電路的輸出電流過大（推挽電路用于驅(qū)動負載時，此時N管可能會流過較大電流），會導致上面的N管發(fā)熱嚴重，從而存在燒毀三極管的風險。

考慮到傳統(tǒng)的三極管推挽電路對于輸入信號電壓幅值較低場合的應用存在不足，本次設計采用了一款替代方案。推挽芯片IXDN609SI作為IXYS公司的一款大電流（9 A）的超快速內(nèi)部集成MOS管的驅(qū)動芯片，以其強大的放大能力和簡單的外圍電路完美替代了利用三極管搭建的推挽放大電路，目前廣泛應用于放大電路。

芯片IXDN609SI的內(nèi)部結構如圖3所示。

芯片IXDN609SI內(nèi)部是由一對MOS管組成的推挽放大電路。采用此款芯片作為放大電路的主要器件，可以避開利用三極管搭建推挽電路時對靜態(tài)工作點、基極電流、門級電流及三極管是否工作于線形區(qū)等問題的計算及試湊。相較于三極管，MOS管的開關性更強，使得整個電路的調(diào)試更加簡單。

圖3 芯片IXDN609SI框圖

芯片IXDN609SI的外圍電路極其簡單，僅需要在輸入端（IN）串入驅(qū)動電阻即可。考慮到芯片IXDN609SI的穩(wěn)定性，必要時可以在輸入及輸出端對地增加對地電阻來增加抗干擾性。

2.2 控制電路設計

美國Unitrode公司電流控制型IC芯片UC284X（UC3842/3/4/5）系列只有8個引腳，外圍電路接線簡單，所用器件少，且性能優(yōu)越、成本低廉[2]，驅(qū)動電平非常適合于驅(qū)動MOS場效應管。由于本次設計供電電壓為15 V，因此需要選擇啟動電壓為8.5 V的芯片。綜合成本及體積方面，本次設計采用開環(huán)系統(tǒng)，選擇系列中最大占空比為50%。綜合考慮，本次設計采用UC2845作為控制電路的核心芯片。

為了利于芯片散熱，選擇SO-14封裝的UC2845。該芯片的2、4、6、13腳為空腳，其他管腳功能如表1所示。

根據(jù)UC2845的功能，結合本次設計，搭建芯片的外圍電路如圖4所示。

圖4 UC2845外圍電路設計

表1 UC3844各引腳功能

設計中將1、3、5腳通過10 kΩ的電阻直接接地，沒有使用芯片UC2845自帶的電流檢測保護功能（5腳）與電壓反饋檢測功能（3腳），且不使用芯片自帶的補償電路（1腳）。這樣可以最大限度地簡化芯片的外圍電路和調(diào)試過程，使芯片10腳輸出的脈沖固定為最大占空比（UC2845為50%的占空比）。此外，由二極管及電阻及電容組成的軟起網(wǎng)絡可以使電路軟起，避免直接最大占空比輸出造成損壞。

2.3 驅(qū)動變壓器設計

變壓器是開關電源中最重要的磁性元件。變壓器的設計是開關電源設計的核心，其設計是否優(yōu)良直接決定著開關電源是否優(yōu)良。

當前工程中，變壓器常用的磁芯是鐵氧體，在高頻下具有電阻率高的特性，可以降低渦流損耗（鐵損）且價格低廉。特別是工作頻率高于100 kHz時，它的優(yōu)勢明顯。PC40（行業(yè)內(nèi)又稱40材）是日本TDK開發(fā)的鐵氧體功率材料，是鐵氧體功率材質(zhì)中的基礎材料，也是應用最廣的材料[3]。

EE型骨架磁路窗口利用率高，并且在相同AP值的情況下體積較小，因此本次設計變壓器選擇PC40材質(zhì)、EE型磁芯。

AP磁芯計算法是工程上常用的計算方法，是一種以實際經(jīng)驗為基礎的方法。設計采用AP法來計算選擇變壓器的磁芯，即：

其中：Pt為變壓器視在功率（VA），因變壓器拓撲不同而存在較大差異，此處取Pt=Pin+Po；J為電流密度，一般取值300～500 A/cm2，典型值400 A/cm2，保守值350 A/cm2；Ku為窗口面積使用系數(shù)，一般取值0.2～0.5，典型值0.4；Kf為波形系數(shù)，即有效值與平均值之比，正弦波為4.44，方波為4，此處取2；Fs為頻率，單位為Hz；Aw為磁芯窗口面積；Ae為磁芯有效截面積；Bm為磁通密度。

通過式（1）得出AP值，通過查表選擇EE8骨架，PC40的磁芯?？紤]到高頻集膚效應，采用d=0.31 mm的導線，多股并饒。

由于此次設計的驅(qū)動電源要為不同的開關管（如IGBT、MOS管以及SIC MOS管）供電，因此需要輸出不同電壓，通過設計不同的匝比得到不同電壓的輸出。

2.4 副邊輸出電路設計

本次設計的驅(qū)動電路用于IGBT管、MOS場效應管及SIC MOS管的驅(qū)動供電。這3種開關管要求的驅(qū)動電壓各不相同。

傳統(tǒng)的副邊輸出電壓一般通過改變變壓器的輸出變比完成不同輸出電壓的需求。傳統(tǒng)的副邊輸出電壓電路如圖5所示。

圖5 傳統(tǒng)的副邊輸出電壓電路

圖5中，當變壓器輸出電壓一定時，變壓器副邊輸出經(jīng)過倍壓電路，驅(qū)動正壓輸出經(jīng)過兩個倍壓二極管和支撐電容后輸出2倍的變壓器副邊電壓；驅(qū)動負壓輸出經(jīng)過一個倍壓二極管和支撐電容后，輸出1倍的變壓器副邊電壓。當需要匹配不同的開關管使用場合時，需要不同的驅(qū)動電壓，只改變變壓器的副邊輸出電壓。目前，大型電力電子設備集成度、應用場合越來越廣，一臺設備中經(jīng)常會混用不同的開關管。因此，應用傳統(tǒng)電路，需要設計不同的變壓器來滿足使用要求。

考慮到傳統(tǒng)的副邊輸出電路對不同開關管混用場合的應用存在不足，本次設計采用了一款替代方案，即設計一種驅(qū)動電源，可以輸出不同的電壓來匹配不同的開關管，具體電路拓撲如圖6所示。

圖6 副邊輸出電路設計

驅(qū)動電源分為兩個部分。第一部分利用二極管及電容組成倍壓電路，變壓器輸出電壓先通過給倍壓電容充電，隨后通過倍壓二極管輸出，產(chǎn)生滿足輸出需求的電壓。電路后級的穩(wěn)壓管可以通過選擇不同型號的穩(wěn)壓管，產(chǎn)生不同等級的電壓，以滿足對不同電壓等級要求的開關管。電路中的泄放電阻為驅(qū)動負電壓產(chǎn)生回流支路，確保驅(qū)動負電壓不會因為沒有回流支路而一直升高，提高了穩(wěn)定性。

3 開關電源仿真實現(xiàn)

下面通過PSIM仿真驗證本次設計開關電源的可行性。由于PSIM仿真軟件中沒有UC2845和IXDN609SI的模型，因此按照UC2845和IXDN609SI的內(nèi)部結構搭建PSIM的模型。利用搭建的模型及電路參數(shù)搭建開關電源的PSIM仿真模型，如圖7所示。

圖7 驅(qū)動電源PSIM仿真

圖8為輸入電壓為15 V時的輸出波形圖，其中VP65為16 V輸出，VP66為-8 V輸出。

圖8 驅(qū)動電源仿真輸出

4 驅(qū)動電源實物驗證

根據(jù)實驗結果和仿真驗證，設計且調(diào)試了開關電源，如圖9所示。

圖9 驅(qū)動電源硬件實物

該開關電源可以用于IGBT管、MOS管以及SIC MOS管等不同種類的開關管的驅(qū)動供電。經(jīng)過試驗驗證，輸出結果如表2所示。

表2 輸出電壓測試結果

測試變壓器原邊與副邊波形，如圖10所示。

圖10 驅(qū)動變壓器原副邊測試波形

結合驅(qū)動電路測試驅(qū)動電路的波形，給牛角端子加上頻率為40 kHz、幅值為5 V、50%占空比的方波，測試輸出端子上的波形，結果如圖11所示。

5 結 論

圖11 驅(qū)動電源輸出波形

驅(qū)動電源技術是高壓大功率電力電子裝置的關鍵輔助技術之一，而研制具有高可靠性、較高功率密度的驅(qū)動電源具有現(xiàn)實需要。本設計用UC2845作為主控制芯片，搭建外圍控制電路，給出了設脈寬調(diào)制（PWM）控制電路、驅(qū)動變壓器以及副邊輸出電路等相關電路部分，并與傳統(tǒng)的驅(qū)動電源方案進行了對比分析，最后用PSIM軟件仿真驗證了該方案的可行性，并完成了驅(qū)動電源的硬件的設計及調(diào)試。該電源采用開環(huán)設計，電源外圍電路簡單，成本低廉，且采用芯片IXDN609SI搭建推挽電路，避開了常規(guī)三極管推挽的靜態(tài)工作點計算，調(diào)試簡單易行，在變流器系統(tǒng)實際工程中得到了成功應用。