IGBT器件的开关稳压电源

应用IGBT器件的开关稳压电源摘要随着电子技术的发展，直流电源的应用越来越多，特别是全控型器件IGBT的广泛应用和脉宽调制（PWM）技术的成熟，高频开关稳压电源获得极快发展。

本装置提出采用PWM 信号控制以IGBT 为主开关元件的半桥式高频开关稳压电源. PWM 信号由SG3525A 片产生, 用专用驱动器驱动IGBT. 并且采用软开关技术是高频开关电路中实现零电压开通（ZVS）、零电流关断（ZCS）的先进技术，是减少开关损耗，提高开关频率和取消缓冲电路的有效手段.由于本装置不用工频降压变压器，逆变工作在20kHz高频状态，使高频变压器体积大大缩小，重量大大减轻，铁损与铜损、滤波电感、电容体积也减小，并且不再有低频噪声，该电源具有输出电压稳定、电路简单, 体积小、可靠性高、效率高和通用性强等特点. 实验结果证明了该设计的可行性。

关键词: 电子技术；开关电源；软开关；PWM；IGBT目录一、概述 (1)二、开关电源主电路工作原理 (2)2.1电压型半桥逆变工作原理 (4)2.2 IGBT管的电压电流计算与选择 (5)2.3高频整流 (6)2.4滤波、软起动与软开关 (6)三、IGBT管的驱动与控制电路 (8)3.1 IGBT管的驱动电路 (8)3.2脉宽调制控制 (9)四、结论 (12)五、设计体会 (13)六、参考文献 (14)一、概述随着生产技术的发展，直流电源的应用日益增多，如通信、计算机、电焊接以及军工等领域，要求各种电压与容量等级、输出特性有各种要求的高效直流电源。

采用串接调整管调压稳压和晶闸管相控整流组成的直流稳压电源，由于损耗大、效率低，变压器与滤波器件体积大，功率因数低以及存在机械噪声等缺点，已无法适应需要。

随着全控器件（目前主要是功率MOS与IGBT）的广泛应用以及脉宽调制技术的成熟，高频开关稳压电源获得极快发展。

开关电源的基本原理与功率变换是：电网交流通过工频整流滤波为固定直流，通过功率变换（高频逆变）得到20~50kHz的高频电流，再经过高频整流与滤波，得到所要求的直流。

其核心部分是用全控器件再逆变电路中以高频率的开通与关断进行功率变换，故此类电源简称开关电源。

本设计以某产品28V/100A开关电源为例，分析主电路与脉宽调制(PWM SG3525A )控制的工作原理。

该电源主要技术指标如下:输入输出电压:单相220（1±15%）V（AC）、28V（DC）输出电流：100A（28V）电压调整率: ≤1%伏在调整率: ≤1%输出纹波：U rms≤50mV、U rp-p≤150mV效率: ≥80 (额定输出)功率因数: ≥0.8MTBF(平均无故障时间)：≥6000h重量、体积比同容量晶闸管相控电源大大减小无低频噪声二、开关电源主电路工作原理28V/100A开关电源的原理框图如图2-1所示，由主电路与控制电路两部分组成。

调压稳压的基本原理是:当开关电源由于负载减小或交流输入电压的升高引起输出直流电压升高时，由PWM环节控制，使逆变器中IGBT导通时间缩短，逆变器输出脉宽变窄，从而使输出电压下降；反之使逆变器输出脉宽展宽，由此实现输出直流电压的稳定与调节。

图2-2为开关电源主电路，220V交流输出，经SW、电源滤波与MDC40A/800V硅桥整流滤波，变换为280V左右的恒定直流，再经限流电阻(200Ω/8W回并)输入主功率变换(高频逆变器)。

逆变器为电压型半桥式，由两只IGBT管(VI1、VI2)、电容C1、C2 高频变压器组成，将直流电变换为20kHz的正负矩形波电压。

该高频电压经高频变压器T1 降压，电压比约为5:3:1，送至高频整流桥全波整流与滤波，得到稳定的28V直流电压。

主电路图2-1 开关电源的原理图高频整流图2-2 开关电源主电路2.1电压型半桥逆变工作原理电压型逆变的特点是输出电压矩形波、输出电流近似正弦，电路如图2-3所示。

当IGBT 两管均不触发截止时，通过电容C 1 、C 2 （9000μF/250V ）分压，电容两端均为21U ，当IGBT1管触发导通时，U 经IGBT 1 管VI 1，高频变压器一次侧对C 2充电，C 1上电压通过VT 1管对变压器放电; VI 2 导通 VI 1 关断时，U 经VI 2 、变压器对C 1 充电，C 2 通过VI 2 管对变压器放电，如图2-3a 所示。

由于C 1、 C 2 电容量大，器件交替触发通断频率高，电容两端电压可看成不变均为21U 。

从理想状态分析，逆变器输出电压波形为交变矩形波，幅值均为21U ，如图2-3b 所示。

感性负载时，由于电流滞后电压，IGBT 管需接反并二极管（模块内部已有），提供无功功率与续流如图b 所示。

实际工作时，由于IGBT 管关断需要时间，在两管交替触发时刻会造成两管同时导通使直流电压短路，这是绝不允许的。

为此通过触发脉冲的脉宽调制控制，使IGBT 管导通时间小于21T ，即出现两管均不导通的死区，通常控制脉宽占空比范围为0.85~0.9，这种控制方式称死区控制，此时逆变桥输出电压、电流波形如图c 所示，δ为一周期内的死区时间，则T －δ/T=0.85~0.9。

112a)b ）U21u 21－iC1u tttt21u0c ）图2-3 半桥逆变电路与波形 图2-4 半空逆变电路IGBT 管电压电流波形 a ）、电路 b ）c ）电压、电流波形逆变桥工作时测量VI 1 管的电压、电流波形如2-4所示，t 1 时刻已导通的VI 1 管触发关断，由于高频变压器漏感储能作用，使变压器一次侧感应出21U 电压，极性为左正右负（图2-3a 所示），因此VI 1 管C 1 E 1 端电压从零瞬时突跳至U ，随着漏感储能的释放，U C1E1 电压迅速至21U ，在VI 1 管两端出现尖峰电压。

t 1~t 2 为2δ，t 2 时刻出发VI 2 管导通，U C1E1 稳定升至U 值，t 3 时刻关断VI 2 ，变压器一次侧感应左负右正电压，大小近似为21U ，致使U C1 E1 瞬时降为零，待漏感能量消失后恢复至1/2U ，t 4 时刻VI 1 导通，t 5 时刻VI 1重复关断，逆变管电压电流与驱动脉冲波形如图2-4所示。

2.2 IGBT 管的电压电流计算与选择管子电压 交流220V 经全桥整流滤波，加至逆变桥的电压U 约为300V ，考虑余量通常选600V 等级的IGBT 管。

通常模块结构的IGBT ，其电压等级为600V 、1200V 、1700V三种，三相输入整流选1200V管子。

管子电流由于IGBT管较多工作于脉冲调制状态，计算有效电流值较困难，器件的高频开关损耗又与工作频率和电路缓冲等结构有关。

IGBT管标定的电流等级是集电极连续电流I C ,没有考虑重复开关的损耗，工程计算是以实际流过管子的最大峰值电流(瞬时过电流不考虑)再考虑2倍左右裕量来选择。

以本装置为例，输出电流为100A，高频整流变压器电压比为5:3:1，变压器一次电流即IGBT管峰值电流为100A/5.3≈19A，考虑开关损耗和裕量选50A管子。

目前市售的IGBT管子，有的器件出厂环境温度为80℃，有的为25℃，散热情况各不相同，选择电流时必须充分考虑。

本电源采用两管模块结构的IGBT 管，型号为SKM 50GB123D德国西门康公司生产，VD3 、C3 、VD4 、C4、R3 为IGBT 管的缓冲电路（见图2-2）。

2.3高频整流20kHz高频交流的整流有高频变压器与高频全波整流组成。

高频变压器对电路工作是十分重要的，其作用是电压变换、功率传递和输入输出隔离。

主要考虑变压器漏感和励磁电流的影响，工作时不能使变压器饱和，否则励磁电流会大大增加。

一般选择铁心材料时要考虑高频铁损小，B S (饱和磁密) 高，可选用C型超微晶磁芯或铁淦氧材料，线圈采用双绕组并绕中心抽头、并接RC缓冲电路防止反向过电压如图2-2所示。

高频整流必须采用快恢复开关二极管，如采用普通二极管，由于二极管在导通瞬间出现比稳定正向管压降高得多的正向峰值电压，关断时有较长的反向恢复时间，会导致输出电压下降、整流管与IGBT管发热严重等现象。

本装置采用美国MOTOLROLA公司生产的超快恢复功率二极管，型号为MUR200 40CT，电流为100A，电压为40V，反向为40V，反向恢复时间t rr <50ns 。

即使采用快速开关管，在整流桥两管换向瞬间，原导通的管子还未关断，未导通的管子已导通，在输出电感L2作用下，形成短时间两管并联导通，此时高频变压器二次侧合成磁通势为零，相当于逆变器输出短路。

因此在测量IGBT管电流波形时，导通的瞬时会出现电流上冲尖峰（见图2-4）。

由于本装置不用工频降压变压器，逆变工作在20kHz高频状态，使高频变压器体积大大缩小，重量大大减轻，铁损与铜损、滤波电感、电容体积也减小，并且不再有低频噪声。

2.4滤波、软起动与软开关高频装置必须考虑射频干扰（RFI）与电磁干扰（EMI）以及谐波影响，本装置在交流输入端采用线路滤波器，用于有效抑制和吸收电网可能出现的强脉冲对电源的干扰，同时线路滤波器具有良好的共模和差模插入损耗，有效地抑制电源产生的高频干扰信号影响电网，实现电源与电网的隔离和减少电源对周围环境的电磁干扰。

同理，输出端与负载之间亦加接滤波器。

开关电源一般设置交流限流延时，当交流电源合闸时，为了限止对大电容的充电电流，防止整流桥过流，在合闸时串接限流电阻（200Ω/8W四并），一般调整在500ms后将电阻短接。

软起动功能是指在脉宽调制控制中，具有在起动时使IGBT管的触发脉冲的脉宽由零逐渐展宽，使直流输出电压与电流逐步建立，避免起动冲击。

软开关技术是高频开关电路中实现零电压开通（ZVS）、零电流关断（ZCS）的先进技术，是减少开关损耗，提高开关频率和取消缓冲电路的有效手段。

本电源中在逆变桥输出端串接电感L1 ，由于IGBT管关断后出现较大尾电流，使关断损耗增加，L1 为饱和电抗器，大电流时其饱和阻抗接近为零，VI管关断时出现数值较小的尾电流时L1 不饱和，阻止尾电流增大，从而近似将电流箝在零值实现零电流关断。

三、IGBT管的驱动与控制电路3.1 IGBT管的驱动电路如图3-1-1所示，由脉宽调制集成块CW494（TL495）8、11脚输出相位差180°、频率为20kHz、脉宽可调的触发信号，经比较器整形缓冲（4050集成块）和分立元件功放电路（亦可用EXB等系列集成功放），送到VI管子G、E脚，触发导通正脉冲为15V，要求输出回路阻抗值很小，以保证快速开通与较小的通态压降。

为了可靠关断，电路中设置2CW5B6稳压管，使关断时管子承受﹣6V左右的负偏压。

图3-1-1 IGBT管的驱动电路3.2脉宽调制控制控制部分采用CW494（TL495）集成脉宽调制器，它是控制部分的核心。