LLC 諧振式IGBT 驅(qū)動(dòng)電源的研究

劉 洋 何成軍

（青島海信日立空調(diào)系統(tǒng)有限公司，山東 青島266510）

傳統(tǒng)小功率IGBT 驅(qū)動(dòng)技術(shù)采用光耦- 穩(wěn)壓電源式驅(qū)動(dòng)技術(shù)，在IGBT 發(fā)生短路故障時(shí)無法令門極電壓快速降低，可能導(dǎo)致IGBT 的短路故障發(fā)生擴(kuò)散，繼而發(fā)生更大的損失。[1-2]中大功率IGBT 驅(qū)動(dòng)采用反激拓?fù)溲苌龅腣cc 反饋式驅(qū)動(dòng)電源（PSR-Flyblack）。在IGBT 發(fā)生短路故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)電源限制門極電壓可避免IGBT 故障范圍的擴(kuò)散，但驅(qū)動(dòng)電源反饋繞組Vcc電容瞬時(shí)沖擊電壓損壞驅(qū)動(dòng)電源芯片及周圍穩(wěn)壓器件。[3]

隨著大功率光伏逆變器的普及和應(yīng)用，提高IGBT 的驅(qū)動(dòng)及保護(hù)技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)[4]。本文設(shè)計(jì)的對稱式半橋LLC 諧振驅(qū)動(dòng)電源，能夠高效驅(qū)動(dòng)大功率IGBT，具備IGBT 門極短路保護(hù)功能，并結(jié)合軟開關(guān)技術(shù)和倍壓整流技術(shù)實(shí)現(xiàn)在低輸入電壓的條件下實(shí)現(xiàn)開關(guān)管零電壓開通，副邊二極管零電流關(guān)斷。有效減小開關(guān)損耗，該驅(qū)動(dòng)技術(shù)普遍適用于NPC 式光伏逆變器[5]。

1 半橋LLC 驅(qū)動(dòng)電源的工作原理

圖1 電路關(guān)鍵點(diǎn)的波形

階段1(t2-t3):如圖2(a)，當(dāng)上管S1 開通時(shí)此時(shí)由于諧振電流Ics大于變壓器勵(lì)磁電流Im，次級輸出繞組與備壓整流電容通過D3一起向后級釋放能量。

階段2(t3-t4): 如圖2(b)，此階段下勵(lì)磁電流Im與諧振電流Ics相等，此時(shí)D3零電流自然關(guān)斷。此時(shí)D3與D4沒有反向回復(fù)損耗。

階段3(t4-t5): 如圖2(c)，此階段上管S1 關(guān)斷，此時(shí)Mos 管結(jié)電容Ds1和Ds2分別參與諧振充電和諧振放電過程，直到Ds2放電到零，進(jìn)入箝位續(xù)流階段為S2 的零電壓開通（ZVS）做準(zhǔn)備。Im線性下降與Ics正弦式下降，但I(xiàn)cs小于Im，此時(shí)二極管D1開始為C3充電開始倍壓過程。

階段4(t5-t6): 如圖2(d)，此階段下管S1 零電壓開通，此階段諧振電容電感參與諧振，此時(shí)Ics小于Im繼續(xù)進(jìn)行D1和C3的倍壓過程。

階段5(t6-t7): 如圖2(e)，此階段Ics等于Im，因此時(shí)D1零電流自然關(guān)斷。

階段6(t7-t8): 如圖2(f)，此階段Ics小于Im，此時(shí)次級輸出繞組與備壓整流電容通過D3一起向后級釋放能量。

圖1 為半橋LLC 驅(qū)動(dòng)電路各關(guān)鍵點(diǎn)的波形。VS1VS2分別為上下管驅(qū)動(dòng)波形、Ics為諧振電流波形、Im為變壓器的勵(lì)磁電流、VAB為橋臂中點(diǎn)的波形、Ic1為備壓整流電容的放電電流波形、ID1為備壓整流電容的充電電流波形。

圖2

2 LLC 諧振電源諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

通過等效模型如圖3，計(jì)算橋臂中點(diǎn)基波電壓有效值見式（1）。

當(dāng)諧振電感Lr與諧振電容Cr完全諧振時(shí)，此時(shí)原邊電壓完全加在輸入等效電阻上，可計(jì)算出此時(shí)的等效電阻Rm。見式（2）

當(dāng)電源滿載輸出此時(shí)Lr與Cr在完全諧振的條件下二者電壓和為零，此時(shí)有效值均分為一半的輸入電壓，見式（3）。

根據(jù)Q 值定義計(jì)算出Q 值并以此計(jì)算諧振電感和諧振電容等諧振網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)。并計(jì)算出變壓器的勵(lì)磁電感Lm

由于驅(qū)動(dòng)電源功率不大且變壓器類型為正激式驅(qū)動(dòng)，只需要變壓器的原邊電感在設(shè)計(jì)過程中滿足諧振參數(shù)即可。線徑在滿足基本安規(guī)的條件下，考慮到趨膚效應(yīng)等即可滿足設(shè)計(jì)要求。

3 仿真結(jié)果分析

圖4 LLC 電路仿真波形