一些非常规的低耗电分离MOSFET-IGBT门驱动供给

文摘

一个简单的网格状,电分离电源可以短路证明提出了门驱动器本地供应。供应是由黑客时一种共模滤波器作为一个变压器,变压器所示好的绝缘,它有一个非常低的初级和次级线圈之间的寄生电容,这是划算的。非常低的备用损失在实验室的实验观察。这使它符合节能驱动和太阳能逆变器。

1。介绍

许多门驱动器电路设计更喜欢电分离门驱动类型,但是他们面临的问题驱动的晶体管数量(1),理想需要自己的本地供应。这样更适用于多级转换器需要更多的司机。

门驱动电源电路,必须考虑的问题。首先,必须可靠的电力供应。经常充电泵或自举电路被视为最好的选择栅极驱动电源(2]。然而,各种各样的经历表明,该电荷泵不工作在所有情况下(3]。这是由于这样的事实,电荷泵/自举电路可以失败而关闭逆变器的低侧长时间(4]。此外,本文在5)已经证明了电路存在的缺点和工作周期生成模式和范围。这可能发生的情况下采用磁滞控制的变换器。晶体管的低,单一的供应可以生成不受欢迎的地面循环IGBT的发射器电感(6]。

其次,门驱动电源必须符合成本效益。这通常是一个业务需求。门驱动成本最小化转换器可以增加收入的好处。这变得更加认为是在三相或多级逆变器7]。

第三,门驱动器电源不能轻易打扰。的主要起源栅极驱动电路的干扰是由于返回电流注入的高/在功率器件开关的断开(1,6- - - - - -14]。小飞回转炉的反馈可能会被其控制电路。门驱动电路必须能够克服它。

第四,门驱动必须低电容(11]。典型的架子上块直流-直流电源有一个相当大的双方之间的电容。通常寄生电容在47 - 220 pF的顺序是嵌入在减少EMI(电磁干扰)的电路的目的。因此,寄生电容增加,因此供电可以有额外的损失。问题是制造企业数据表中没有提到这个问题,所以电路开发人员不知道如何处理它。此外,直流-直流转换器的使用增加了数量的备用电源。

最后但并非最不重要,长寿命,设计应避免电解电容器,这可能会减少寿命(15]。经验表明,电荷泵的解决方案常常需要电解电容器。在提议的设计,这是可以避免的。

栅极驱动电路的情况下,不同的因素必须考虑:大部分都是低备用电源,欠压锁定(UVL)功能,减饱和保护(10,16反馈信号,和成本效益17]。几个设计原理是可能的一个僵硬的电源短路证明。兼容的供应也可以用来强制关闭的UVLO在使用稀释保护(16]。本文更关注于一些非常规的栅极驱动的设计供应可满足前面所提到的因素。这可以在使用兼容的供应有阻抗。兼容的供应是由在黑客共模滤波器作为变压器类型,因为它展示了一个良好的绝缘和它有一个非常低的初级和次级线圈之间的寄生电容。变压器低消费和经济有效地竞争。拓扑结构、功能原理、模拟和性能测试实验的栅极驱动提出了供应。

2。MOSFET-IGBT门驱动供应原则

图1简要介绍了通用门驱动程序框图。光耦合器、HCPL3120门驱动是由一个正电压由15伏直流输入电源。单片机的PWM控制信号从大门的输入驱动程序。栅极驱动电路的优点是,它需要有一个共同点电压相同栅驱动电路一旦用于与高和低侧开关变换器。图2(一个)给了一些非常规的更多细节,低耗电分离MOSFET-IGBT电源框图。框图有三个主要部分。

这个驱动程序具有较高的峰值电流的1013)和一个输出阻抗的1 - 3欧姆。它的目的是生成一个输出电压15 V, 100千赫至供应砍共模扼流圈用作变压器(图2 (b))[12]。大到足以供应容易6这样的变形金刚。当地的供应是由网格状的肖特基二极管整流器使用峰。

图2(一个)显示有两个电容器的腿在整个拓扑。一个电容器的腿是在变压器的原边,另一个是位于二次侧。自然共振频率在0.44的总电容μF (2×0.22μ在二次侧F陶瓷电容器)共鸣变压器的漏电感约44千赫。测量变压器的漏电感1 kHz和100 kHz是32μH和31.16μ分别H。更多的数据关于变压器的参数可以在表中找到1。

上面的操作在100 kHz串联谐振,即使主电容腿被认为是。平滑的输出电流和电压,0.22μF薄膜电容器被添加在网格状的整流器的输出;它也需要足够的电荷水库提供门。注意,整个设计可以通过使用电影或陶瓷电容器,以避免电解电容器在当地供应。电容器的腿导致倍频效应的涟漪。

共模滤波器的特点作为变压器的电源(图2(一个))非常有效。二次电压的绝缘主要是2.4 kV,一个好的信号less-loss完整的变压器。此外,有一个最大电流的0.7和电感的至少1 mH证明了其良好的性能提供门驱动器。换句话说,这个变压器使用很少的磁化损失,需要一个非常低的磁化电流。

网格配置确保没有电压峰值,因为漏电感也不响了。功能都是好的比飞回转换器的设计。系列电容器中避免直流电流变压器,因此电感不饱和。这是由于这样的事实:0.22μ二次侧的F系列1μ在一次侧F。磁化亏损8.23 mW美联储的方波15 V峰。这些损失都是低于预期的。这可能是造成高导磁率的铁氧体共模滤波器用于在低感应。

总损失计算主要考虑六个变形金刚,TC4421司机,和一个光耦合器。多分析分析来评估电源的总损失是由在本文后面的部分。

3所示。MOSFET-IGBT门驱动供给分析

图3提出了一种半桥式整流电路的框图。图中有四个主要部分,输入电压、电感电容柜系列、肖特基二极管整流器(18),输出电压。输出电压是输入容易短路分析L-tank中循环电流。框图作为LC系列转换器。然而,在这个简化的情况下,电容器被认为具有无限价值。方程(1)和图4可以用来评估环状电流: 方程(1)表示当前正斜率的变化,人物4,(2)解释当前的负斜率的变化。

在这里,,,,输入电压、输出电压、电感电流、输出电流,分别和串联电感。 结合(1)和(2我们得到以下方程: 解决(3)结果 因此,直流输出电流计算如下: 考虑到一个事实,即阻抗是纯电感,整流电流,,也可以评估使用(5)。

如果一系列LC阻抗接近共振(正弦波电流)被认为是基本电压组件输出的电流,然后,

假设纯电感阻抗,因此导致输出电流

自非常接近32 = 31.0,那么(5)可以纠正上面一系列电容谐振频率的影响: 在哪里= 100千赫。大约是3欧姆;然而这并不影响结果;主要的电压降(合规效应)是由于漏电感。这个近似对应于模拟以下部分所示。

4所示。MOSFET-IGBT一些非常规的栅极驱动供给计算机模拟

图5模拟了一些非常规的栅极驱动供应如图2。仿真在MATLAB仿真软件™环境。第一个块组成的方波直流源(TLC555)作为一个施密特触发器和一个司机TC4421取而代之的是半桥变换器以生成+ 15 V直流,100 kHz电源。参数表1是用来模拟变压器。从模拟一些各级电压和电流特性,又重,低负载。

考虑到这一事实的电阻变化在接通和断开电源开关设备(17),模拟考虑了电流在短路和满载。

数据6和7表明,该电源拉下电压和电流低价值时变得接近短路。消耗功率为3.3兆瓦。当负载欧姆,输出电压为13.2 V直流如图8。

提供低电压闭锁装置的控制电路(ULVO)保护必须有一个电压低于13 V直流。饱和保护也要考虑电源的输出电压水平。场景中存在的这一事实的备用电源供应为3.294兆瓦。

5。MOSFET-IGBT一些非常规的栅极驱动提供实验室的实验

一些实验室实验,以评估门驱动器供应的电力消耗。图8显示了输出电流和输入和输出电压而供应低10 kΩ电阻器。两个边界的数据7和8揭示了欠压锁定(ULVO)规范必须用于门驱动器。一些测量在实验室实验如表所示2。

当地的供应特征图9允许供给驱动相当大的igbt在高频率。有必要指出,特点可以当一个较小的串联电容器的腿不那么顺从(接近串联共振)。风险在于,短路注意能力的供应可能会丢失。然而,吸收的电流方波驱动可以为了关闭监控司机如果过载,短路证明,观察到。稀释保护当地的供应可以拉下来。它可以使用输出电流和电压特性如图9。

数据10和11显示输入和输出电压供应低时装载1 kΩ电阻器当加载提供10 kΩ电阻器。相似模拟、数字10和11显示两种操作界限当地门驱动器的供应,欠压锁定(ULVO)和稀释的保护。欠压锁定(ULVO)必须低于12 V为了安全地关掉电源开关设备。表3显示了三种不同情况下的电压降。插入一个电阻器的电压降是测量10Ω电源的输入。单一变压器吸引0.26 mA在100千赫。表4显示的四个最重要的方面的消费门供应。变压器消耗更少的司机相比,TC4421, TLC 555。很明显,使用一个司机在一次侧而不是使用六个二次侧给拓扑如图一个优势2(一个)。

事实上,六个变压器二次侧的首选门驱动电源。变压器的空载消费验证时将6变压器相比,当前的消费除以5。作者感到惊讶非常低的值并检查结果几次。变压器的空载远低于司机和方波发生器使用。因此,它实际上是使用一个方波发生器,多个变压器负载。在无载,功耗是1515 V = 0.225 W,而在满载,忽视内部门驱动器电容,消费能力是4515 = 0.675 W。参考的注入电流控制器的电源/,总=光耦合器驱动+变压器,总数大约是4 pF。然后,在/20 V / ns和4 pF注入一个80毫安激增控制器参考。这是由于这样的事实,设计了减饱和保护,变压器也可以检测稀释;因此不需要第二个光耦合器的门驱动器拓扑。这避免了第二个2 pF光耦合器电容。如果使用10 pF的变压器和两个光耦合器总可以14 pF。这对应于一个280毫安飙升这意味着3.5倍相比,目前的设计。所以,很明显,降低变压器电容可以降低变换器的电磁兼容问题。

总门驱动电路可以消费150 mW以下操作。如果不需要控制的启用TLC555可以用来供应完全关闭。

图12显示了变压器一次电流波形,当100年的无限的电容器μF是主要的腿上。当前波形证明了纯电感变压器的阻抗。使用电解电容器可以影响频率的共振频率接近门驱动器供应。

6。结论

本文表明,当地一些非常规的栅极驱动电源能满足所需的参数更好的性能,即使6分离变压器在设计使用。兼容的供应有阻抗短路证明。它是由在黑客共模滤波器作为变压器类型,因为它展示了一个良好的绝缘和非常低的初级和次级线圈之间的寄生电容。变压器也是低成本竞争和它有损失。半桥系列产生共鸣的转换器工作在高频共振可以使用上面门驱动电源性能优越。建议的解决方案是有价值的转换器,和低需要备用电源的电隔离。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

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