1 引言

隨著電力電子器件和高頻逆變技術(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(qū)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(yīng)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(qū)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(guān)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(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或多個普通開關(guān)穩(wěn)壓器的供電方式， 不僅體積、重量大， 而且效率低， 對輸入電壓適應(yīng)范圍窄， 不能滿足現(xiàn)在對電源變換裝置體積、效率和適應(yīng)性方面的要求。如果采用單個開關(guān)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(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(guān)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(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)計一套26. 4 kW 的大功率IGBT 電源變換裝置時， 針對厚膜驅(qū)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(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(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(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。

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(nèi)部的MOSFET是串接關(guān)系。當(dāng)1N101內(nèi)部的MOSFET導(dǎo)通時， 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， 1V105失壓， 1V104同時關(guān)斷， 此時1V107、1V108和1V109串聯(lián)構(gòu)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(dāng)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(shè)計分配在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(diào)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(guān)電源電原理圖