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如何設(shè)計滿足超寬超高壓輸入電源的磁隔離驅(qū)動電路

發(fā)布時間:2020-10-16 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】在開關(guān)電源設(shè)計中,主功率有多個開關(guān)管時其驅(qū)動必須采用隔離設(shè)計,比如多管串聯(lián)反激、雙管正激、LLC等多開關(guān)管的拓撲中,開關(guān)管驅(qū)動均需要做隔離處理。當(dāng)前市面上已經(jīng)有較成熟的自舉驅(qū)動芯片來滿足設(shè)計需求,但是其驅(qū)動芯片的耐壓等級受限,最高電壓只能到600V左右。
 
背景介紹
 
在開關(guān)電源設(shè)計中,主功率有多個開關(guān)管時其驅(qū)動必須采用隔離設(shè)計,比如多管串聯(lián)反激、雙管正激、LLC等多開關(guān)管的拓撲中,開關(guān)管驅(qū)動均需要做隔離處理。當(dāng)前市面上已經(jīng)有較成熟的自舉驅(qū)動芯片來滿足設(shè)計需求,但是其驅(qū)動芯片的耐壓等級受限,最高電壓只能到600V左右。在更高輸入電壓等級的應(yīng)用場合中,比如光伏電源、SVG輔助電源等輸入電壓達到1500V甚至更高的電源產(chǎn)品設(shè)計時,驅(qū)動芯片的方案就不再適用,只能選擇磁隔離變壓器驅(qū)動電路。因此磁隔離驅(qū)動電路的設(shè)計極其重要。
 
如何設(shè)計滿足超寬超高壓輸入電源的磁隔離驅(qū)動電路
圖1 常用的磁隔離驅(qū)動電路
 
常用的磁隔離驅(qū)動方案
 
常用的磁隔離驅(qū)動電路如圖1所示。
 
其中,電容C1為輸入端直流隔離電容,C3為開關(guān)管QM等效的輸入電容。電容電壓的參考方向如圖1所示,T1為磁隔離驅(qū)動變壓器。S1是脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動器(PWM Driver)的輸出信號波形,S2是變壓器輸入端的波形,S2是該磁隔離驅(qū)動器的輸出波形。圖1所示的電路工作波形如圖2所示。
 
如何設(shè)計滿足超寬超高壓輸入電源的磁隔離驅(qū)動電路
圖2 磁隔離驅(qū)動波形示意圖
 
假設(shè)穩(wěn)態(tài)時該驅(qū)動器的輸出信號S1的周期為T,占空比為,幅值為,同時假設(shè)變壓器T1的輸入輸出匝比為1,則穩(wěn)態(tài)時輸入端直流隔離電容C1上的電壓為D·VS1。在S1為高電平時,S3也為高電平,其幅值為(VS1-VC1),即(1-D)·VS1。而在S1為低電平時,S3為負電平,其幅值為(-VC1),即D·VS1。
 
具體的推導(dǎo)過程如下:
 
如何設(shè)計滿足超寬超高壓輸入電源的磁隔離驅(qū)動電路
 
由此可見,這種隔離驅(qū)動電路線路簡單,而且被驅(qū)動的MOS管有負向的驅(qū)動電壓,抗干擾能力強。但其有待改進之處在于,在占空比D較大時,S3的高電平幅值就較小,可能導(dǎo)致QM驅(qū)動電壓不足。這樣,這種驅(qū)動器電路不適合應(yīng)用在占空比變化較大的場合,即輸入比范圍大的(1-D)·VS1應(yīng)用條件下,圖1所示的驅(qū)動電路將不再適用。
 
如何設(shè)計滿足超寬超高壓輸入電源的磁隔離驅(qū)動電路
圖3 雙隔直磁隔離驅(qū)動電路
 
雙隔直磁隔離驅(qū)動電路
 
為了解決上述難點問題,需要在圖1所示的磁隔離驅(qū)動電路次級邊也添加隔直電容,如圖3所示。
 
相對圖1的磁隔離驅(qū)動電路而言,添加了次級的直流隔直電容C2和開關(guān)二極管DR。穩(wěn)態(tài)時輸入端隔直電容C1上的電壓VC1=D·VS1,輸出端隔直電容C2上的VC2=D·VS1。其電壓參考方向如圖3所示。圖3電路的工作波形如圖4所示??芍?,穩(wěn)態(tài)后QM的電壓V3不隨占空比變化而改變,適合更寬范圍輸入條件的驅(qū)動設(shè)計。
 
如何設(shè)計滿足超寬超高壓輸入電源的磁隔離驅(qū)動電路
圖4 雙隔直磁隔離驅(qū)動電路波形示意圖
 
但是圖3所示的電路在某些特殊狀態(tài)下,比如輸入端突然斷電或者負載突變過程中脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動器的輸出信號會突然消失,即驅(qū)動信號S1將為0。隨后變壓器T1在輸入端隔直電容電壓(-DVs1)作用下逐漸進入飽和,同時C2上的電壓仍為DVs1,T1上的輸入輸出電壓幅值從DV1逐漸減小,此時QM上的電壓將從0開始逐漸增加,直到與C2上的電壓相等。其波形示意圖如圖5中紅色框所示。
 
由此可見,在特殊條件下QM會出現(xiàn)失控的驅(qū)動信號,該信號造成開關(guān)管誤導(dǎo)通,引發(fā)主功率變壓器飽和,導(dǎo)致產(chǎn)品炸機。
 
如何設(shè)計滿足超寬超高壓輸入電源的磁隔離驅(qū)動電路
圖5 雙隔直磁隔離驅(qū)動電路誤導(dǎo)通波形示意圖
 
我司優(yōu)化后的磁隔離驅(qū)動方案
 
為了解決圖3中雙隔直磁隔離驅(qū)動電路的誤導(dǎo)通問題,我司針對次級隔直電容C2做了特殊放電電路。如圖6所示,其中添加了原邊檢測電路和次級隔直電容放電電路,該電路為我司自主發(fā)明專利電路。通過高速光耦做信號隔離,有效解決主功率開關(guān)管誤導(dǎo)通的問題,改進后的驅(qū)動波形如圖7中2通道PWM波形所示,可以看出在驅(qū)動異常關(guān)閉狀態(tài)下,C2上的電壓迅速放電完成,開關(guān)管不會出現(xiàn)異常開通狀態(tài)。為我司超高超寬壓輸入系列產(chǎn)品提供高可靠的驅(qū)動,提升產(chǎn)品綜合競爭力。
 
如何設(shè)計滿足超寬超高壓輸入電源的磁隔離驅(qū)動電路
6 改進后的雙隔直磁隔離驅(qū)動電路
 
總結(jié)
 
采用變壓器做的磁隔離驅(qū)動電路,如果只有原邊有隔直電容時,在占空比較大的條件下次級輸出電壓會降低,無法滿足開關(guān)管驅(qū)動的要求。當(dāng)次級添加隔直電容后可以解決大占空比的問題,但是在異常條件下次級隔直電容放電會導(dǎo)致開關(guān)管異常導(dǎo)通,進而出現(xiàn)原邊飽和導(dǎo)致產(chǎn)品炸機。我司針對上述問題重點突破,添加次級隔直電容放電電路,使得磁隔離驅(qū)動電路不受占空比影響的同時完美解決異常條件下開關(guān)管異常導(dǎo)通的現(xiàn)象。該放電電路設(shè)計簡單、可靠,大幅提升產(chǎn)品可靠性。
 
如何設(shè)計滿足超寬超高壓輸入電源的磁隔離驅(qū)動電路
圖7 改進后的雙隔直磁隔離驅(qū)動電路波形圖
 
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