电子技术应用：电机控制器IGBT驱动电源的设计( 二 )
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2.3变压器设计
三相全桥逆变电路中每个桥臂的驱动电源都是独立且完全对称的 ， 图1中单个IGBT栅级所需驱动功率为：
式中：Pdrv_out为单个IGBT所需额定驱动功率；Qg为IGBT开通和关断期间栅级总电荷 ， 手册数据为4.3μC；fs为IGBT的开关频率 ， 取10kHz；VH、VL为开通和关断电压分别为15V和-8V 。
算得Pdrv_out为0.989W ， 考虑余量和兼容性 ， 将Pdrv_out设计为2W(8V/250mA) ， 如图4中所示可认为变压器的副边Ns1和Ns2的输出额定功率均为2W 。
变压器原边的输入功率计算公式为：
式中：Pin为原边输入功率；VO1、IO1为Ns1输出的额定电压和电流 ， 取8V、250mA；VO2、IO2为Ns2输出的额定电压和电流 ， 取8V、250mA；η为原副边的传输效率 ， 取0.75 。
原边电感量计算公式为：
式中：Lp为原边NP1、NP2的电感量 ， 且两者相等；Vin为原边输入直流电压 ， 取18V；D为推挽MOS管的导通占空比 ， 取0.47；f为推挽MOS管的导通频率 ， 取170kHz 。
原边电流峰值计算公式为：
式中：NP为Np1、Np2的线圈匝数 ， 且两者相等；Ae指磁芯窗口有效截面积取8.47mm2 。
副边匝数计算公式为：
式中：NS为Ns1、Ns2的匝数 ， 且两者相等；VO为副边输出电压取8V 。
2.4倍压整流电路设计
图5中当Ns1为上正下负时电流有两条流通路径 ， 一是由线圈正极通过电容C7、C8和二极管D3到线圈负极 ， 二是由线圈正极通过二极管D2和电容C6到线圈负极 。 此时D1处于反向截止状态 ， 达到稳态时C6、C7、C8两端电压均为Ns1两端电压减去二极管压降 ， 约为7.3V ， 即VL为-7.3V 。
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图6中当Ns1下正上负时电流只有一条流通路径 ， 由线圈正极通过C6、D1、C2到线圈负极 。 此时D2、D3处于反向截止状态 ， C2两端电压即为IGBT的开通电压VH ， 根据基尔霍夫电压定理可知C2两端的电压大小计算公式为：
式中：VC6为C6处于稳态时的电压7.3V；VNS1指Ns1两端的电压8V；二极管D1的管压降VD1为0.7V 。
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电源在驱动电路中的连接方式如图7所示(以U相上桥为例) ， 驱动芯片左侧为低压部分 ， PWM+、PWM-是驱动互锁信号控制IGBT的开通和关断 。 右边为高压部分 ， 当驱动芯片OUT引脚输出高电平时三极管Q1导通 ， 开通电压+15V_UT通过开通电阻R1给IGBT栅极G_UT充电 。 同理 ， 当OUT输出端为低电平时三级管Q2导通 ， 栅极通过关断电阻R2至-8V_UT进行放电 ， R1、R2、C2为驱动参数 ， 相互匹配能够调节IGBT的开通和关断速度 。 R3的作用是防止MOS管误开通 ， 而二极管D1和双向稳压管D2能够使栅级电压钳位在合理范围[11] 。
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3仿真验证
如图8所示在LTspice仿真软件上对设计电路进行验证 ， 结果如图9所示 。 推挽电路中两个MOS管的驱动PWM信号由软件库自带的函数信号发生器V1、V2生成 。 满载电流可按下式估算：
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仿真中用可变电流源作为负载验证驱动电源的带载能力 ， 从图9中可以看出负载由轻载到重载变化时开通和关断电压在±100mV内波动 ， 说明该电源有良好的带载能力 。
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