IGBT直流穩(wěn)壓大功率電源設計之電路設計方案

直流大功率電源是目前工業(yè)、照明等領域中不可或缺的重要組成部分，也是很多工程師的重點設計方向之一。此前我們曾經(jīng)分享過幾種穩(wěn)壓直流大功率電源的設計方案，也得到了各位工程師們的歡迎和支持。在今明兩天的文章中，我們將會為大家分享一種IGBT直流穩(wěn)壓大功率電源設計方案。在本方案中，單片機控制的逆變電源的總體框圖如圖1所示，整套裝置主要由電源主電路、PWM控制電路、驅(qū)動電路和單片機控制電路四部分組成。

圖1單片機控制的逆變電源的總體框圖

電源的主電路及驅(qū)動電路

在本方案中，我們所涉及的這一大功率開關電源的主電路，主要用來實現(xiàn)輸入功率到輸出功率的能量轉(zhuǎn)換。這一電源系統(tǒng)從遵循一般逆變的AC—DC—AC形式。在這一電源系統(tǒng)中，三相工頻交流網(wǎng)路電壓經(jīng)過整流模塊整流和濾波，得到大約540V的直流電壓。該直流電壓施加到由功率開關管IGBT和中頻變壓器組成的逆變器上。由四個功率開關管組成橋的四臂，中頻變壓器連接在它們中問，相對橋臂上的兩對功率開關管由柵極驅(qū)動電路以脈沖方式激勵而交替地通斷，將直流電壓變換成20kHz的中頻交變電壓，中頻變壓器同時將大約540V的電壓降為24V左右的電壓，然后經(jīng)整流、濾波后，輸出直流電壓。

在這一大功率電源的全橋電路中，我們假設變壓器的電壓為U，輸出功率為P1，如果假定逆變器的效率為85%，占空比為0.8，則IGBT管的工作電流可以計算為：Ie=1.46P0|Us.

在本方案中，我們所設計的這一大功率電源中，輸出電壓是直流低電壓，具有一定的輸出功率。輸出電路J二對中頻變壓器次級的中頻方波電壓進行整流濾波。為了獲得高質(zhì)量的直流輸出電壓，需要一些特殊的元器件，如肖特基勢壘整流二極管以及存儲能的電感，以產(chǎn)生低噪音的輸出電壓。

輸出整流和濾波電路

在本方案中，我們所設計的這一大功率電源方案中，全橋式逆變電器的輸出電路如圖2所示，由于二極管D7、D8都給輸出端提供半周期的電流，所以它們分擔著相等的負荷電流，它們不需要續(xù)流二極管，因為當一個二極管截止時，另一個二極管就導通起到了續(xù)流的作用。但是，對二極管的反向截止電壓參數(shù)的要求就高了，它的最小值可計算為：2.4VoVimax/Vimin。

在這一全橋式逆變器的輸出電路系統(tǒng)中，其整流二極管必須具有正向降低、快速恢復的特點，還應有具有足夠的輸出功率。在實際應用中，肖特基勢壘整流二極管即使在大的止向電流作用下，其正向壓降也很低，僅有0.4V左右。由于它具有這一優(yōu)點，使得肖特基勢壘整流二極管特別適用于5V左右的低電壓輸出電路中。肖特基勢壘整流二極管的反向恢復時問是可以忽略不計的，因為此器件是多數(shù)載流子半導體器件，在器件的開關過程中，沒有消除少數(shù)載流存儲電荷的問題。

在本方案中，我們所設計的基本控制電路，即PWP控制電路的任務，是根據(jù)單片機輸出的電流給定值與實際電流反饋值的差值，通過調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比來實現(xiàn)穩(wěn)定的輸出。

圖2 全橋式逆變器輸出電路

單片機控制電路

在本方案中，我們所設計的這一大功率開關電源如果需要實現(xiàn)直流穩(wěn)壓的運行效果，則其單片機系統(tǒng)控制電路需要用來輸出其所需的電壓、電流，以實現(xiàn)一開始所要求的電源的電流和電壓的穩(wěn)定性，其工作主要依靠程序運行來輸出適當?shù)目刂菩盘?。在電源的硬件系統(tǒng)中，單片機主要通過采樣電路中的電壓、電流值，與給定值比較后可自動調(diào)節(jié)，同時還可顯示電路中的電壓、電流值，具有監(jiān)控功能單片機控制電路由MPS430最小系統(tǒng)、D/A轉(zhuǎn)換電路、數(shù)碼顯示及鍵盤輸入電路、I/O接口電路組成。其核心部件為MPS430單片機。

驅(qū)動電路及IGBT的保護

在本方案中我們所設計的驅(qū)動電路系統(tǒng)，其主要功能是用來將脈寬調(diào)制電路輸出的控制脈沖轉(zhuǎn)換成符合開關功率器件要求的電平和阻抗形式，并對驅(qū)動信號進行功率放大，并保證一定的脈沖前沿、后沿陡度，使其有足夠的能力使IGBT飽和導通。同時實現(xiàn)主電路和控制電路之問的電氣隔離作用和故障信號的采集作片j，其對功率開關元件的開關時間、損耗等有著直接的影響。另外，還需要在開關器件的工作點超出安全工作區(qū)時提供保護信號。根據(jù)這一大功率開關電源的設計要求，我們所選取的IGBT管的型號主要是HL402(400A/600V及300A/1200V)。