基于LM5025的高压大功率IGBT驱动电源的设计.pdf

2023年第45卷第4期第11页文章编号：10 0 5-7 2 7 7(2 0 2 3)0 4-0 0 11-0 5基于LM5025的高压大功率IGBT驱动电源的设计电气传动自动化ELECTRICDRIVE AUTOMATIONVol.45,No.42023,45(4):1115蒋佳琛1，牛甄2（1.天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃天水7 410 2 0；2.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃兰州7 30 0 7 0）摘要：本文利用有源钳位PWM控制器LM5025设计一款单端有源钳位反激式高压大功率ICBT的驱动电源。研究了单端有源钳位反激式拓扑的工作原理，分析了LM5025的工作特性，提出了一种基于LM5025的高压大功率IGBT驱动电源的拓扑结构，并完成外围电路的搭建和计算。最后试验结果表明，该电源的输出功率大、隔离电压高、输出电压纹波小、稳定性好，满足高压IGBT驱动电源实际应用需求。关键词：高电压；有源钳位；LM5025；驱动电源中图分类号：TM46Design of an Active Power Filter IGBT Drive Power Supply Based on LM5025(1.Tianshui Electric Drive Research Institute Guoup Co.,Ltd.,Tianshui 741020,Gansu,China;2.State Grid Gansu Power Electric Power Research Institute.Lanzhou 730070,Gansu,China)Abstract:An active clamp PWM controller LM5025 is used to design a single end active clamp flyback highvoltage high power IGBT driving power supply.The working principle of the single-ended active clamp flybacktopology is studied,and the working characteristics of LM5025 are analyzed.A topology structure of the high-voltage and high-power IGBT driving power supply based on LM5025 is proposed,and the peripheral circuit isbuilt and calculated.The final test results show that the power supply has large output power,high isolationvoltage,small output voltage ripple and good stability,which can meet the practical application requirements ofhigh voltage IGBT driving power supply.Key words:High voltage;Active clamp;LM5025;Driving power文献标志码：AJIANG Jiachen,NIU Zhen高压大功率IGBT作为高压电力电子设备的核心器件，为其设计一款性能可靠、稳定的供电电源是保证高压IGBT可靠、稳定运行的一个重要环节。LM5025是一款具备有源钳位控制功能的PWM控制器,性能稳定、可靠。本文根据高压大功率IGBT对驱动供电电源的要求,设计了一款基于LM5025的高压大功率IGBT的驱动电源。其输人电压为2 4V1.1反激式变换器6+Um C1D3N1:N2人SRLD120%、输出电压为2 4V、额定输出功率为10 W、开关频图1单端反激式变换器率为450 kHz。图1为单端反激式变换器，当S开通后，D3处于1单端有源钳位电源反激式变换器的工作断态,变压器原边绕组N1的电流线性增长,电感储原理能增加；当S断开后,原边绕组N1的电流被切断,变12电气传动自动化2023年第4期压器中的磁场能量通过幅边绕组N2和D3向输出端释放。具有电路简单，转换效率高，损耗小，造价低等优点，广泛应用在小功率应用场合。反激式变换器中的电源隔离变压器既有变压器的隔离作用,又有电感的储能作用。由于电源隔离变压器在工作过程中处于直流偏磁状态，所以通常设计过程中，通过加大隔离变压器的气隙，来防止隔离变压器磁芯饱和，但由此也会导致变压器漏感过大，电感值低。继而使开关在关断时会产生过高的电压尖峰，所以为了保证开关管的可靠工作，必须用钳位电路对开关管在开通和关断过程中产生的开关电压、电流应力加以抑制。1.2有源钳位反激式变换器如图2 所示为有源钳位反激式变换器的拓扑结构。有源钳位反激式变换器就是在反激式变换器电路的基础上,加人有源钳位电路。可以在主开关管关断以后,通过钳位电容C2上的电压将主开关管S1两端的电压Upsi钳位在一定的数值，并基本保持不变。利用钳位电容C2与主开关管S1的寄生电容和漏感进行谐振，使漏极电压降到OV，从而确保功率开关S1处于零电压开关工作方式。其具有以下优点：当单端反激式变换器应用到功率超过150 W的场合时,不用外加RCD钳位电路；极大地提高了开关电源的工作频率、缩小了开关电源体积。有源钳位反激式变换器有2 种拓扑结构，即低边有源钳位电路和高边有源钳位电路，分别如图2中(a)(b)所示。这2 种拓扑结构有以下3个方面的区别：(1)钳位电路的结构。低边有源钳位电路由一?C2UmC1D3N1:N20+3D2C2二K4UmC1图2 有源钳位反激式变换器的拓扑结构个P沟道功率MOSFET开关管S2和一个钳位电容C2串联以后，并联在主开关管S1的两端，如图2 中（a）所示。高边有源钳位电路由一个N沟道功率MOSFET开关管S2和一个钳位电容C2串联以后，并联在变压器的原边绕组两端，如图2 中(b)所示。(2)钳位电容电压。低边钳位电路中钳位电容电压为：UUcI=1-D高边钳位电路中钳位电容电压为：UcI=DU1-D其中,D为S1驱动脉冲占空比;U为变压器原边输人电压。(3)驱动电路。对于低边有源钳位电路和高边有源钳位电路，两种不同的钳位电路所对应的驱动电路也不同。如图2 中(a)所示,对于低边有源钳位电路，其主开关管S1和有源钳位开关管S2的S极共地，所以两个开关管S1和S2的驱动信号也可以共地,其驱动电路相对简单。如图2 中(b)所示,对于高边有源钳位电路，其主开关管S1和有源钳位开关管S2的S极不共地，所以两个开关管S1和S2的驱动信号不能共地，因此有源钳位开关管的驱动D3N1:N23S2/D2S1(a）低边有源钳位电路RLS2本D1S1(b）高边有源钳位电路信号必须通过一个脉冲变压器隔离，电路比较复RL杂。本设计中选择低边钳位电路。2有源钳位专用的PWM控制器LM5025的工作特性本D1LM5025是一款具备有源钳位和复位技术的PWM控制器,应用于电源转换器的所有需求。LM5025提(1)(2)2023年第4期蒋佳琛，牛甄基于LM5025的高压大功率IGBT驱动电源的设计13供两个控制输出：主功率开关控制输出（OUT-A）、有源钳位开关控制输出（OUT-B),两路控制信号并行输出。主功率开关控制信号既可以驱动P沟道MOSFET，又可以驱动N沟道MOSFET，具有优良的栅极驱动特性，其内部框图如图3所示。7.6VSERIESREGULATORViNUVLO2.5RTSYNCRAMPCOMPCS1CS2SSLM5025A内部有一个高压启动调节器，允许供电电压直接接人输人引脚(VIN)。上电时,稳压器使能，并将电流（最大电流限制在2 0 mA）输出到外部电容连接到VCC引脚，当VCC引脚上的供电电压达到7.6 V的调节点,并且内部参考电压(REF)达到5V调节点时，LM5025A控制器输出使能。当供电电压VCC低于6.2 V或输电压低于欠压锁定检测器所设阈值时，控制器停止工作。LM5025A内部有一个欠压锁定检测器(UVLO)。LM5025A通过内部一个2 0 uA电流源将UVLO的阀值设定为2.5V，然后外部通过一个电阻网络将VIN定点分压到GND，同时将电阻网络中一点接入UVLO，当电阻网络中给UVLO的输入电压大于2.5V时，控制器正常工作，反之控制器将停止工作。从而设置LM5025A的输人电压范围，保证输人电压VIN必须大于一定值，控制才能工作。在实际应用中，可以通过改变Rset设定电阻的连接方式和阻值,设定主功率开关控制输出(OUT-A)和有源钳位开关控制输出(OUT-B)的相位差。根据具体Vo情况而定,若有源钳位开关管用低边P沟道MOSFET，5VVaREFERENCEREFUVLOLOGICUVLOHYSTERESIS(20MA)OSCILLATORFF RAMP5VPWMss AmpV（S in k O n lySS2.5VMAXV*SCLAMP0.5140.5VD19MA图3LM5025内部框图则需设置主功率开关控制输出(OUT-A)和有源钳位开关控制输出(OUT-B)相差为O度,即OUT-A与OUT-ENABLEOUTPUTSCLKSLOPE,TOVNLOGICRCLK+LEB20uAVoOUT_ADRIVERDEADTIMEOROVERLAPCONTROLSQB重叠。若有源钳位用高边N沟道MOSFET,则需设置主功率开关控制输出(OUT-A)和有源钳位开关控制输出(OUT-B)相差为18 0 即OUT-A与OUT-B反相TIMEVocDRIVEROUT_BPGNDAGND且有死区。当Rset接REF时,设定死区时间；当Rset接GND时，设定重叠时间。本文中选定有源钳位低边P沟道钳位开关,其重叠时间和死区时间分别为：重叠时间(ns)=2.8xRset-1.2死区时间(ns)=2.9xRset+20其中,Rset为设定电阻,单位kQ。LM5025A内部还集成一个伏秒积钳位比较器，可以通过选择适当的Rm和Cr，R m和Cm的值，产生的信号与2.5V的基准电压相比较，从而达到限制输人电压和开关频率作用，保证变压器铁芯最优化使用而不至于饱和，保证了开关电源的效率和输出电压质量。因为钳位基准电压固定在2.5V,所以伏秒积钳位设定的导通时间随输入电压成反比变化。在本文中，开关频率设定为450 kHz,最大输人电压为2 4V+20%，达到50%占空比钳位需要1.1us导通时间。此时的伏秒积为：(24V+20%)*1.1us=31.7V*usCFF和RFF为:RFF*CFF=VIN*TON/2.5VRFF*CFF=20.4u选CFF=1000pF,RFF=20k。LM5025振荡器频率(F)由一个外接在RT和GND之间的电阻设定。其公式如下：RT=(5725/F 1.026式中F单位为kHz,RT单位为KQ。(3)14电气传动自动化2023年第4期3驱动电源拓扑结构本文所采用的高压大功率IGBT的驱动电源的拓扑结构如图4所示。O+UmC1图4高压大功率IGBT的驱动电源拓扑结构图3.1主开关管和有源钳位开关管的设计由图4可知，当S1断开、S2开通时，C2的电压就是S1两端的电压Ups1;当S1开通、S2断开时，C2的电压就是S2两端的电压Ups2。因此，主开关管S1和有源钳位开关管S2的DS两端电压为：U s=U os=Uc=1U1-D得到Upsi=UDs2=60V。本设计电源额定输出电压2 4V，额定输出功率8W，同时综合考虑主开关管S1和有源钳位开关管S2承受的电压尖峰和电流尖峰，并留有裕量，选用的主开关管型号是IRF7350，其N沟道MOSFET参数为：VDS-100V,RDS(on)-0212,ID-2.1A。其P沟道MOSFET参数为:VDS=-100V,RDS(on)=0.48,ID=-1.5A。3.2有源钳位开关管的驱动回路设计如图4所示，有源钳位开关管S2是一个接地的P沟道MOSFET，所以在实际应用中需要在其栅极加负向的驱动电压才能使其导通。但LM5025产生的驱动电压都为正向电压，所以就要加一个电平转换电路来转换电压驱动S2，有源钳位开关管S2的栅极驱动电路如图5所示。+C1UmOUT_B图5有源钳位开关管S2的栅极驱动电路由图5可知，当LM5025的第9 管脚（OUT-B)引脚输出高电平时,D导通，S2断开，给C3充电到7 V；当LM5025的第9 管脚(OUT-B)输出低电平时，此时D3S2开通，C3通过R放电。在实际应用中，可以设定电N1:N23C2S2D2SC3S2RL本D1(4)N13D24本D1S1阻R和电容C3的放电常数远远大于S2的开关周期，这样有源钳位开关管S2的栅极电压就会基本保持不变。选取R=4.7k2,C=0.1uf,放电常数为47 0 us，远大于PWM周期2.5us。3.3过流保护回路设计LM5025有两种过流保护，逐个脉冲限流模式和打隔式限流保护，本文中同时使用两种保护模式。其回路如图6 所示。首先要进行电流采样，本文选用电阻检测的方式采样回路中峰值电流。图6中，CS2电流采样回路中R3为采样电阻，R1和R2进行分压,R1和C4构成RC滤波，滤除在开关管状态切换过程中引起的电偶尖峰毛刺;CS1电流采样回路中R3为采样电阻,R4和R5进行分压,R5和C5构成RC滤波，滤除在开关管状态切换过程中引起的电偶尖峰毛刺。LM5025内部基准值为0.5V,所以选取R1=1.5k,R2=1.5k,R3=1,R2=3832,R5=1.5kQ,C4=470Pf,C5=470Pf。O+UmC44脉冲变压器的选择脉冲变压器是整个驱动电源电路的核心，可以传输脉冲信号，并且实现控制信号与主功率信号的电气隔离。在选择驱动电源的脉冲变压器时,首先要根据电源电路的特性，确定变压器的铁芯材料，然后根据铁芯材料的尺寸和磁导率计算铁心的导磁能力，继而根据变压器输人电压和功率确N1CS2S1R2R1R3图6 过流保护回路本D1R4R5CS1C52023年第4期定原边匝数和铜线线径，最后综合考虑变压器输出电压和变压器损耗，选择合适的匝数比。本次设计中，设定电源开关频率是450 kHz,所以脉冲变压器所要求的最小伏秒积为2 4*2.5=6 0（V*us），选择脉冲变压器匝数比n=0.9,隔离电压为8 50 0 V，根据参数定制合适的脉冲变压器。5实验波形基于LM5025的高压大功率IGBT驱动电源的实际测试波形如图7 所示。其中(a)为主开关管S1的控制信号（图中3号通道）和有源钳位开关管S2控制信号（图中4号通道）；（b)为驱动电源的输人电压（图中3号通道)和输出电压(图中4号通道）；（c)为驱动电源的输出电压（图中3号通道)和输出电压纹波（图中4号通道）。从图中可以看出，电源在输出电压2 5.4V，输出电压纹波最大为150 mV，且经过实际耐压试验，输人输出隔离电压为8 50 0 V，输出功率大于10 W，满足高压大功率IGBT驱动电源的要求。Tek预选335.00V频率频率(a）主开关管S1的控制信号和有源钳位开关管S2控制信号Tek停止蒋佳琛，牛甄基于LM5025的高压大功率IGBT驱动电源的设计最大值标准差最大25.4V4最大6结论有源钳位反激变换器相比较一般反激变换器，可以极大的提高电源的工作频率、缩小电源体积、提高电源效率，并且有源钳位PWM控制器LM5025的应用，既提高了开关电源的可靠性，又推进了有源钳位反击变换器在开关电源中的应用。本文介绍的基于LM5025的高压大功率IGBT驱动电源满足设计要求，实际运行中也达到满意的效果。参考文献1丁泳鑫.小功率高功率密度DC/DC模块电源的研究D.南京：南京航天航空大学，2 0 10.2于孟春.基于LM5025的有源钳位反激变换器的设计与实现D.武汉：华中科技大学，2 0 13.3孟建辉.开关电源的基本原理及发展趋势J.通信电源45.00V452.8kHz值452.8k平均值453.0kHz453.0k15Tek预览310.0V（c)驱动电源的输出电压和输出电压纹波图7 驱动电源的实际测试波形4.00us4.00M60.0000ns1M点452.8k最小值453.0k200us200mV2G+0-60.0000ns1M点集平均值最小值25.425.4184mV184m2.50G次/秒4.00V最大值452.8k453.0k500M次/秒25.40.00184m184m技术,2 0 0 9,2 6(6):6 2-6 7.标准差0.0000.0004.00V41月19 2 819:00:450.0018:49:124.1月19 2 84 National Semiconductor.LM5025ADatasheetz 2004.5刘凤君.现代高频开关电源技术及应用M.北京：电子工业出版社，2 0 0 8：1-32.6张继红，王卫，徐殿国.有源钳位反激式零电压零电流开关变换器研究J.电力电子技术，2 0 0 5,39(4)：30-35.7张坤，郭凌宋，飞扬.一种DC-DC变换系统的稳定性分析J.电气传动自动化，2 0 19,41(0 2).2.00us310.0V最大26.2V25.6V(b)驱动电源的输人电压和输出电压2.50G次/秒410.0V值平均值16.69.1136:00-60.0000ns.1M点4.00V最小值最大值1.8027.02.0026.0标准差12.110.941月19 2 818:57:40收稿日期：2 0 2 2-0 2-2 5