380V AC輸入多路輸出小功率輔助開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)及工作原理

1 引言

隨著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(yīng)用于各種行業(yè)， 如變頻器、電鍍、電弧爐、UPS、電氣化機(jī)車、通信電源、電焊機(jī)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(duì)優(yōu)異的綜合電性能指標(biāo)， 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(qū)動(dòng)和保護(hù)電路并推向市場， 如三菱公司的M57959 /57962、富士電機(jī)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(jià)比， 因而在各種大功率IGBT 電源變換裝置中得到了廣泛應(yīng)用。

每個(gè)M57959 /57962 需要正負(fù)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(qū)動(dòng)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(guān)斷的動(dòng)態(tài)要求， 這使得正負(fù)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?fù)洌?因此需要8 路共4對(duì)相同的正負(fù)兩種輔助電源。在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)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(gè)或多個(gè)普通開關(guān)穩(wěn)壓器的供電方式， 不僅體積、重量大， 而且效率低， 對(duì)輸入電壓適應(yīng)范圍窄， 不能滿足現(xiàn)在對(duì)電源變換裝置體積、效率和適應(yīng)性方面的要求。如果采用單個(gè)開關(guān)電源同時(shí)產(chǎn)生該8路共4 對(duì)相同的正負(fù)兩種輔助電源， 則可以彌補(bǔ)這些不足。

輔助開關(guān)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(shí)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(jī)）， 這就要求輔助開關(guān)電源能在380 V AC 輸入條件下工作（最高可達(dá)460 V AC ） ， 此時(shí)開關(guān)管的耐壓要求應(yīng)在1 200 V 以上， 給器件的選擇帶來難度。

筆者在設(shè)計(jì)一套26. 4 kW 的大功率IGBT 電源變換裝置時(shí)， 針對(duì)厚膜驅(qū)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關(guān)電源。

2 電路結(jié)構(gòu)及工作原理

380 V AC 輸入、多路輸出輔助開關(guān)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(guān)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(dòng)電路、PWM 控制電路、過流保護(hù)電路、過熱保護(hù)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(nèi)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(nèi)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(gè)器件上， 使該電源能安全應(yīng)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(guān)電源電原理圖

如圖1所示， 輔助開關(guān)電源共有A、B、C、D 4對(duì)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(duì)輸出指標(biāo)要求完全相同， 因此采用了初級(jí)反饋的穩(wěn)壓方式。精密基準(zhǔn)TL431（ 1N102）的應(yīng)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(biāo)。

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(jí)繞組一端， 初級(jí)繞組的另一端接至外接MOSFET 1V 104 的漏極。1V 104 與1N101（ TOP224Y）內(nèi)部的MOSFET是串接關(guān)系。當(dāng)1N101內(nèi)部的MOSFET導(dǎo)通時(shí)， 把1N101的源極電壓拉到低電平， 1V104導(dǎo)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(dāng)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(gòu)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(dāng)輸入直流電壓高于550 V 時(shí)， 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(shè)計(jì)分配在1V104和1N101內(nèi)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(jí)反饋的穩(wěn)壓方式， 輔助繞組輸出一方面對(duì)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(hào)， 經(jīng)過1N102 比較放大， 調(diào)整流過三極管1V106的電流， 即流入1N101的電流， 從而達(dá)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(guān)電源電原理圖

如果使用PI公司第四代功率開關(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壓、欠壓保護(hù)功能和過流保護(hù)編程能力， 同時(shí)還具備開關(guān)頻率抖動(dòng)功能， 從而改善電源的電磁兼容指標(biāo)。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(duì)電路元器件和開關(guān)變壓器的合理的選取和設(shè)計(jì)， 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(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(yàn)數(shù)據(jù)

筆者對(duì)圖1所示電路的輔助電源實(shí)物進(jìn)行了測試。測試結(jié)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(yùn)行， 并在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)保持很好的穩(wěn)壓效果和遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)輔助電源供電方式的工作效率。表1為源效應(yīng)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(diào)范圍有限， 因此僅有最高440 V AC時(shí)的測試數(shù)據(jù)。試驗(yàn)時(shí)輔助電源各路輸出負(fù)載總功率約為30W.

4 結(jié)語

用圖1所示電路制作的實(shí)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(nèi)， 輔助電源的源效應(yīng)小于0. 5%， 工作效率則不低于70%。

該開關(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(qū)動(dòng)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(shí)用價(jià)值。筆者將其作為輸出功率達(dá)26. 4 kW電源變換裝置中IGBT 混合厚膜驅(qū)動(dòng)電路M57962的輔助供電電源， 投入實(shí)際運(yùn)行后， 工作正常、安全、可靠， 完全滿足設(shè)計(jì)要求。