圖1 常用的磁隔離驅(qū)動(dòng)電路
如何設(shè)計(jì)滿(mǎn)足超寬超高壓輸入電源的磁隔離驅(qū)動(dòng)電路
發(fā)布時(shí)間:2020-10-16 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中,主功率有多個(gè)開(kāi)關(guān)管時(shí)其驅(qū)動(dòng)必須采用隔離設(shè)計(jì),比如多管串聯(lián)反激、雙管正激、LLC等多開(kāi)關(guān)管的拓?fù)渲?,開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)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(dòng)芯片來(lái)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求,但是其驅(qū)動(dòng)芯片的耐壓等級(jí)受限,最高電壓只能到600V左右。
背景介紹
在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中,主功率有多個(gè)開(kāi)關(guān)管時(shí)其驅(qū)動(dòng)必須采用隔離設(shè)計(jì),比如多管串聯(lián)反激、雙管正激、LLC等多開(kāi)關(guān)管的拓?fù)渲?,開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)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(dòng)芯片來(lái)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求,但是其驅(qū)動(dòng)芯片的耐壓等級(jí)受限,最高電壓只能到600V左右。在更高輸入電壓等級(jí)的應(yīng)用場(chǎng)合中,比如光伏電源、SVG輔助電源等輸入電壓達(dá)到1500V甚至更高的電源產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí),驅(qū)動(dòng)芯片的方案就不再適用,只能選擇磁隔離變壓器驅(qū)動(dòng)電路。因此磁隔離驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)極其重要。
圖1 常用的磁隔離驅(qū)動(dòng)電路
常用的磁隔離驅(qū)動(dòng)方案
常用的磁隔離驅(qū)動(dòng)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(kāi)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(dòng)變壓器。S1是脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動(dòng)器(PWM Driver)的輸出信號(hào)波形,S2是變壓器輸入端的波形,S2是該磁隔離驅(qū)動(dòng)器的輸出波形。圖1所示的電路工作波形如圖2所示。
圖2 磁隔離驅(qū)動(dòng)波形示意圖
假設(shè)穩(wěn)態(tài)時(shí)該驅(qū)動(dòng)器的輸出信號(hào)S1的周期為T(mén),占空比為,幅值為,同時(shí)假設(shè)變壓器T1的輸入輸出匝比為1,則穩(wěn)態(tài)時(shí)輸入端直流隔離電容C1上的電壓為D·VS1。在S1為高電平時(shí),S3也為高電平,其幅值為(VS1-VC1),即(1-D)·VS1。而在S1為低電平時(shí),S3為負(fù)電平,其幅值為(-VC1),即D·VS1。
具體的推導(dǎo)過(guò)程如下:
由此可見(jiàn),這種隔離驅(qū)動(dòng)電路線路簡(jiǎn)單,而且被驅(qū)動(dòng)的MOS管有負(fù)向的驅(qū)動(dòng)電壓,抗干擾能力強(qiáng)。但其有待改進(jìn)之處在于,在占空比D較大時(shí),S3的高電平幅值就較小,可能導(dǎo)致QM驅(qū)動(dòng)電壓不足。這樣,這種驅(qū)動(dòng)器電路不適合應(yīng)用在占空比變化較大的場(chǎng)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(dòng)電路將不再適用。
圖3 雙隔直磁隔離驅(qū)動(dòng)電路
雙隔直磁隔離驅(qū)動(dòng)電路
為了解決上述難點(diǎn)問(wèn)題,需要在圖1所示的磁隔離驅(qū)動(dòng)電路次級(jí)邊也添加隔直電容,如圖3所示。
相對(duì)圖1的磁隔離驅(qū)動(dòng)電路而言,添加了次級(jí)的直流隔直電容C2和開(kāi)關(guān)二極管DR。穩(wěn)態(tài)時(shí)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(dòng)設(shè)計(jì)。
圖4 雙隔直磁隔離驅(qū)動(dòng)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(fù)載突變過(guò)程中脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動(dòng)器的輸出信號(hào)會(huì)突然消失,即驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(jìn)入飽和,同時(shí)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(shí)QM上的電壓將從0開(kāi)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(jiàn),在特殊條件下QM會(huì)出現(xiàn)失控的驅(qū)動(dòng)信號(hào),該信號(hào)造成開(kāi)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(jī)。
圖5 雙隔直磁隔離驅(qū)動(dòng)電路誤導(dǎo)通波形示意圖
我司優(yōu)化后的磁隔離驅(qū)動(dòng)方案
為了解決圖3中雙隔直磁隔離驅(qū)動(dòng)電路的誤導(dǎo)通問(wèn)題,我司針對(duì)次級(jí)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(cè)電路和次級(jí)隔直電容放電電路,該電路為我司自主發(fā)明專(zhuān)利電路。通過(guò)高速光耦做信號(hào)隔離,有效解決主功率開(kāi)關(guān)管誤導(dǎo)通的問(wèn)題,改進(jìn)后的驅(qū)動(dòng)波形如圖7中2通道PWM波形所示,可以看出在驅(qū)動(dòng)異常關(guān)閉狀態(tài)下,C2上的電壓迅速放電完成,開(kāi)關(guān)管不會(huì)出現(xiàn)異常開(kāi)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(dòng),提升產(chǎn)品綜合競(jìng)爭(zhēng)力。
6 改進(jìn)后的雙隔直磁隔離驅(qū)動(dòng)電路
總結(jié)
采用變壓器做的磁隔離驅(qū)動(dòng)電路,如果只有原邊有隔直電容時(shí),在占空比較大的條件下次級(jí)輸出電壓會(huì)降低,無(wú)法滿(mǎn)足開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)的要求。當(dāng)次級(jí)添加隔直電容后可以解決大占空比的問(wèn)題,但是在異常條件下次級(jí)隔直電容放電會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管異常導(dǎo)通,進(jìn)而出現(xiàn)原邊飽和導(dǎo)致產(chǎn)品炸機(jī)。我司針對(duì)上述問(wèn)題重點(diǎn)突破,添加次級(jí)隔直電容放電電路,使得磁隔離驅(qū)動(dòng)電路不受占空比影響的同時(shí)完美解決異常條件下開(kāi)關(guān)管異常導(dǎo)通的現(xiàn)象。該放電電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠,大幅提升產(chǎn)品可靠性。
圖7 改進(jìn)后的雙隔直磁隔離驅(qū)動(dòng)電路波形圖
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