IGBT直流穩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(lǐng)域中不可或缺的重要組成部分，也是很多工程師的重點(diǎn)設計方向之一。此前我們曾經(jīng)分享過(guò)幾種穩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(huì )為大家分享一種IGBT直流穩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、驅動(dòng)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

電源的主電路及驅動(dòng)電路

在本方案中，我們所涉及的這一大功率開(kāi)關(guān)電源的主電路，主要用來(lái)實(shí)現輸入功率到輸出功率的能量轉換。這一電源系統從遵循一般逆變的AC—DC—AC形式。在這一電源系統中，三相工頻交流網(wǎng)路電壓經(jīng)過(guò)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(kāi)關(guān)管IGBT和中頻變壓器組成的逆變器上。由四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管組成橋的四臂，中頻變壓器連接在它們中問(wèn)，相對橋臂上的兩對功率開(kāi)關(guān)管由柵極驅動(dòng)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(shí)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(jìn)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(zhù)相等的負荷電流，它們不需要續流二極管，因為當一個(gè)二極管截止時(shí)，另一個(gè)二極管就導通起到了續流的作用。但是，對二極管的反向截止電壓參數的要求就高了，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中，其整流二極管必須具有正向降低、快速恢復的特點(diǎn)，還應有具有足夠的輸出功率。在實(shí)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(diǎn)，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(shí)問(wèn)是可以忽略不計的，因為此器件是多數載流子半導體器件，在器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程中，沒(méi)有消除少數載流存儲電荷的問(wèn)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(wù)，是根據單片機輸出的電流給定值與實(shí)際電流反饋值的差值，通過(guò)調節輸出脈沖的占空比來(lái)實(shí)現穩定的輸出。

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(kāi)關(guān)電源如果需要實(shí)現直流穩壓的運行效果，則其單片機系統控制電路需要用來(lái)輸出其所需的電壓、電流，以實(shí)現一開(kāi)始所要求的電源的電流和電壓的穩定性，其工作主要依靠程序運行來(lái)輸出適當的控制信號。在電源的硬件系統中，單片機主要通過(guò)采樣電路中的電壓、電流值，與給定值比較后可自動(dòng)調節，同時(shí)還可顯示電路中的電壓、電流值，具有監控功能單片機控制電路由MPS430最小系統、D/A轉換電路、數碼顯示及鍵盤(pán)輸入電路、I/O接口電路組成。其核心部件為MPS430單片機。

驅動(dòng)電路及IGBT的保護

在本方案中我們所設計的驅動(dòng)電路系統，其主要功能是用來(lái)將脈寬調制電路輸出的控制脈沖轉換成符合開(kāi)關(guān)功率器件要求的電平和阻抗形式，并對驅動(dòng)信號進(jìn)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(shí)實(shí)現主電路和控制電路之問(wèn)的電氣隔離作用和故障信號的采集作片j，其對功率開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)時(shí)間、損耗等有著(zhù)直接的影響。另外，還需要在開(kāi)關(guān)器件的工作點(diǎn)超出安全工作區時(shí)提供保護信號。根據這一大功率開(kāi)關(guān)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)。