一种IGBT电路专用驱动电源模块设计方案

作者：海飞乐技术 时间：2018-05-23 13:43

在航空领域的实际应用中，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 工作在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，尖峰电流会变大，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电磁干扰的能力。

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。 电源参数要求:

输入电压：16~40V；

输出电压/电流：-8V/17o0mA，+15V/170mA； 输出纹波电压：≤50 mV 电压调整率：≤1% 电流调整率：≤1% 效率(典型值)：≥72% 温度系数：≤0.02%/℃ 启动延迟：≤80 ms 启动过冲：≤500 mV

负载故障恢复时间: ≤50 ms

负载瞬变时输出电压变化(峰值): ≤4% 过冲恢复时间: ≤500µs 工作频率：400～600 kHz

绝缘电阻：(750VDC)≥100 MΩ 工作温度：-55℃~125℃ 存储温度：-55℃~125℃

外形尺寸：25.0 mm×20.4 mmx9.0mm

2. 电源整体方案

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、裸芯片最高结温达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℃，工作可靠性高。

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电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”式的短路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、取样反馈、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。

3. IGBT驱动电路工作原理分析

IGBT的驱动电路如图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，控制信号由芯片的一次侧(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和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。

图3 IGBT驱动电路图

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 A，IGBT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，则会出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关断时间加长，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，波动幅度不影响IGBT驱动芯片正常供电。

图5 +15V供电电压波动图

4. 供电电源解决方案

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。 (1)增大电源模块输出功率裕量

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，但我们按输出功率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。

表1 两种输出功率方案对照表

(2)提高电源模块环路响应速度

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，也能提高环路响应速度，本电路选取该电容容量值为0. 01uF。

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，但是考虑到转换效率因索，优选开关频率为400 kHz。

表2 不同开关频率下+15 V路电压波动幅度的对比表

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；输入与输出无交叉布线；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。

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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，具有很好的屏蔽作用。

6. 实际测试参数 输入电压：16～40V；

输出电压/电流：-8V/170 mA,+15V/170mA； 输出纹波电压峰-峰值：≤50mV； 电压调整率：0.02%； 电流调整率：0.03%； 效率(典型值)：80%； 温度系数：0.002%/℃； 启动延迟：2 µs； 启动过冲：0 V；

负载故障恢复时间：1ms；

负载瞬变时输出电压变化(峰值)：1%； 过冲恢复时间：20 µs； 工作频率：420kHz。

7. 结束语

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决方案，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、结构设计、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。