徐关澄，孟向军,2，吕 淼，李鹏翔

（1.西安许继电力电子技术有限公司，陕西 西安 710075；2.许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000）

0 引 言

开关电源是一种利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。随着电力电子技术的发展和创新，开关电源技术不断创新，促使高频开关电源应运而生[1]。

驱动电源的设计对于一个电力电子设备来说意义重大。设计优良的驱动电源可以减小开关器件的损耗，确保开关管安全高效地开通、关断。结合大功率双向变流器产品项目的驱动需求，设计一个驱动功率为4 W、输入电压范围为15 V DC、输出8路驱动电压的驱动开关电源，用于驱动不同种类的开关管。要求该驱动电源外围电路简单，易于调试，成本低廉。

1 驱动电源设计概况

本次设计的驱动电路总体设计采用15 V DC输入，利用控制芯片UC2845及其外围电路产生驱动脉冲信号。芯片IXDN609SI对驱动脉冲信号进行推挽放大，通过驱动变压器对电压进行隔离及升压。输出电路采用由电容及二极管组成倍压电路，以满足不同需求驱动电压类型的开关管（如IGBT、MOS管以及SIC MOS管等），如图1所示。

图1 驱动电源设计框图

2 驱动电源主回路设计

2.1 传统推挽放大电路及其改进型电路分析及设计

传统的放大电路由两只三极管对管搭建推挽电路来完成，一般采用一只NPN型三极管和一只PNP型三极管完成，如图2所示。

图2中的三极管Q1是NPN型三极管，集电极C接供电电源，Q2是PNP型三极管，集电极C接地。两只三极管的基极相连后接驱动信号输入，发射极相连后放大输出。

图2 传统推挽放大电路

采用上述电路时，根据N管的工作特点，输出信号电压幅值会比输入信号的电压幅值低0.7 V。所以，该电路对输入信号的电压幅值具有一定的要求，否则可能会因为输入信号的电压幅值过低而导致后极电压信号幅值不足。当输入信号电压过低时，如果推挽电路的输出电流过大（推挽电路用于驱动负载时，此时N管可能会流过较大电流），会导致上面的N管发热严重，从而存在烧毁三极管的风险。

考虑到传统的三极管推挽电路对于输入信号电压幅值较低场合的应用存在不足，本次设计采用了一款替代方案。推挽芯片IXDN609SI作为IXYS公司的一款大电流（9 A）的超快速内部集成MOS管的驱动芯片，以其强大的放大能力和简单的外围电路完美替代了利用三极管搭建的推挽放大电路，目前广泛应用于放大电路。

芯片IXDN609SI的内部结构如图3所示。

芯片IXDN609SI内部是由一对MOS管组成的推挽放大电路。采用此款芯片作为放大电路的主要器件，可以避开利用三极管搭建推挽电路时对静态工作点、基极电流、门级电流及三极管是否工作于线形区等问题的计算及试凑。相较于三极管，MOS管的开关性更强，使得整个电路的调试更加简单。

图3 芯片IXDN609SI框图

芯片IXDN609SI的外围电路极其简单，仅需要在输入端（IN）串入驱动电阻即可。考虑到芯片IXDN609SI的稳定性，必要时可以在输入及输出端对地增加对地电阻来增加抗干扰性。

2.2 控制电路设计

美国Unitrode公司电流控制型IC芯片UC284X（UC3842/3/4/5）系列只有8个引脚，外围电路接线简单，所用器件少，且性能优越、成本低廉[2]，驱动电平非常适合于驱动MOS场效应管。由于本次设计供电电压为15 V，因此需要选择启动电压为8.5 V的芯片。综合成本及体积方面，本次设计采用开环系统，选择系列中最大占空比为50%。综合考虑，本次设计采用UC2845作为控制电路的核心芯片。

为了利于芯片散热，选择SO-14封装的UC2845。该芯片的2、4、6、13脚为空脚，其他管脚功能如表1所示。

根据UC2845的功能，结合本次设计，搭建芯片的外围电路如图4所示。

图4 UC2845外围电路设计

表1 UC3844各引脚功能

设计中将1、3、5脚通过10 kΩ的电阻直接接地，没有使用芯片UC2845自带的电流检测保护功能（5脚）与电压反馈检测功能（3脚），且不使用芯片自带的补偿电路（1脚）。这样可以最大限度地简化芯片的外围电路和调试过程，使芯片10脚输出的脉冲固定为最大占空比（UC2845为50%的占空比）。此外，由二极管及电阻及电容组成的软起网络可以使电路软起，避免直接最大占空比输出造成损坏。

2.3 驱动变压器设计

变压器是开关电源中最重要的磁性元件。变压器的设计是开关电源设计的核心，其设计是否优良直接决定着开关电源是否优良。

当前工程中，变压器常用的磁芯是铁氧体，在高频下具有电阻率高的特性，可以降低涡流损耗（铁损）且价格低廉。特别是工作频率高于100 kHz时，它的优势明显。PC40（行业内又称40材）是日本TDK开发的铁氧体功率材料，是铁氧体功率材质中的基础材料，也是应用最广的材料[3]。

EE型骨架磁路窗口利用率高，并且在相同AP值的情况下体积较小，因此本次设计变压器选择PC40材质、EE型磁芯。

AP磁芯计算法是工程上常用的计算方法，是一种以实际经验为基础的方法。设计采用AP法来计算选择变压器的磁芯，即：

其中：Pt为变压器视在功率（VA），因变压器拓扑不同而存在较大差异，此处取Pt=Pin+Po；J为电流密度，一般取值300～500 A/cm2，典型值400 A/cm2，保守值350 A/cm2；Ku为窗口面积使用系数，一般取值0.2～0.5，典型值0.4；Kf为波形系数，即有效值与平均值之比，正弦波为4.44，方波为4，此处取2；Fs为频率，单位为Hz；Aw为磁芯窗口面积；Ae为磁芯有效截面积；Bm为磁通密度。

通过式（1）得出AP值，通过查表选择EE8骨架，PC40的磁芯。考虑到高频集肤效应，采用d=0.31 mm的导线，多股并饶。

由于此次设计的驱动电源要为不同的开关管（如IGBT、MOS管以及SIC MOS管）供电，因此需要输出不同电压，通过设计不同的匝比得到不同电压的输出。

2.4 副边输出电路设计

本次设计的驱动电路用于IGBT管、MOS场效应管及SIC MOS管的驱动供电。这3种开关管要求的驱动电压各不相同。

传统的副边输出电压一般通过改变变压器的输出变比完成不同输出电压的需求。传统的副边输出电压电路如图5所示。

图5 传统的副边输出电压电路

图5中，当变压器输出电压一定时，变压器副边输出经过倍压电路，驱动正压输出经过两个倍压二极管和支撑电容后输出2倍的变压器副边电压；驱动负压输出经过一个倍压二极管和支撑电容后，输出1倍的变压器副边电压。当需要匹配不同的开关管使用场合时，需要不同的驱动电压，只改变变压器的副边输出电压。目前，大型电力电子设备集成度、应用场合越来越广，一台设备中经常会混用不同的开关管。因此，应用传统电路，需要设计不同的变压器来满足使用要求。

考虑到传统的副边输出电路对不同开关管混用场合的应用存在不足，本次设计采用了一款替代方案，即设计一种驱动电源，可以输出不同的电压来匹配不同的开关管，具体电路拓扑如图6所示。

图6 副边输出电路设计

驱动电源分为两个部分。第一部分利用二极管及电容组成倍压电路，变压器输出电压先通过给倍压电容充电，随后通过倍压二极管输出，产生满足输出需求的电压。电路后级的稳压管可以通过选择不同型号的稳压管，产生不同等级的电压，以满足对不同电压等级要求的开关管。电路中的泄放电阻为驱动负电压产生回流支路，确保驱动负电压不会因为没有回流支路而一直升高，提高了稳定性。

3 开关电源仿真实现

下面通过PSIM仿真验证本次设计开关电源的可行性。由于PSIM仿真软件中没有UC2845和IXDN609SI的模型，因此按照UC2845和IXDN609SI的内部结构搭建PSIM的模型。利用搭建的模型及电路参数搭建开关电源的PSIM仿真模型，如图7所示。

图7 驱动电源PSIM仿真

图8为输入电压为15 V时的输出波形图，其中VP65为16 V输出，VP66为-8 V输出。

图8 驱动电源仿真输出

4 驱动电源实物验证

根据实验结果和仿真验证，设计且调试了开关电源，如图9所示。

图9 驱动电源硬件实物

该开关电源可以用于IGBT管、MOS管以及SIC MOS管等不同种类的开关管的驱动供电。经过试验验证，输出结果如表2所示。

表2 输出电压测试结果

测试变压器原边与副边波形，如图10所示。

图10 驱动变压器原副边测试波形

结合驱动电路测试驱动电路的波形，给牛角端子加上频率为40 kHz、幅值为5 V、50%占空比的方波，测试输出端子上的波形，结果如图11所示。

5 结 论

图11 驱动电源输出波形

驱动电源技术是高压大功率电力电子装置的关键辅助技术之一，而研制具有高可靠性、较高功率密度的驱动电源具有现实需要。本设计用UC2845作为主控制芯片，搭建外围控制电路，给出了设脉宽调制（PWM）控制电路、驱动变压器以及副边输出电路等相关电路部分，并与传统的驱动电源方案进行了对比分析，最后用PSIM软件仿真验证了该方案的可行性，并完成了驱动电源的硬件的设计及调试。该电源采用开环设计，电源外围电路简单，成本低廉，且采用芯片IXDN609SI搭建推挽电路，避开了常规三极管推挽的静态工作点计算，调试简单易行，在变流器系统实际工程中得到了成功应用。