1 引言

隨著電力電子器件和高頻逆變電子技術的高速發展， 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， 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 的優點于一體的相對優異的綜合電性能指標， 在上述電源變換裝置中被廣泛使用。

為了最大限度發揮IGBT 的優越性， 各生產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安的充放電電流， 才能滿足開通和關斷的動態要求， 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。在大多數實際應用場合， 采用的是傳統的變壓器降壓加線性穩壓或傳統的變壓器降壓加一個或多個普通開關穩壓器的供電方式， 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上出現的電壓尖峰。

由于采用的是初級反饋的穩壓方式， 輔助繞組輸出一方面對控制電路提供電源， 同時經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出現浪涌、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 試驗數據

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壓效果和遠高于傳統輔助電源供電方式的工作效率。表1為源效應測試數據， 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時的測試數據。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據表明， 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。