单相、三相供电的(IGBT模块)开关电源的设计

曾为某军用装备辅助操作训练，研制了一台28V/100A三相供电式开关电源，工作性能良好。但是，由于部队有时到野外训练，租借民用电源，只有单相电源供电。每当这种时候，该开关电源就无法发挥辅助训练的作用。为此，提出设计既适用单相，又适用三相供电的开关电源。
2．电源叙述
2．1 电源主要性能
电源的最高输出功率P0为2.8KW，输出额定电压U0为28V，设计工作开关频率为20KHZ。
2．2输入电路结构
为了尽可能简化电路，在三相供电的控制方案基础上，采用外带变压器的方法，实现单相供电。其原理电路如图1所示。三相电源供电时，A、B、C分别接三根火线；单相供电时，增加一个附属单相升压变压器，其原边接至电源，A、B、C任意两端接至单相变压器付边,利用原整流电路的两对二极管作单相全波整流，另一对二极管与EMI电路断开。

2．3主电路结构
从功率容量和尽可能降低开关电源装置的损耗和制作成本考虑，主电路采用了主开关元件为IGBT的全桥PWM变换电路。电路如图2所示。

2．4控制电路

PWM控制电路采用的是UC3846。其应用电路主要部分如图3(a)所示，脚1所接R1、R2,决定初级限流值，并决定当过电流时器件是闭锁还是重新运行。CS+和CS-两端接过流信号，实施过流、过压自动保护。EA+和EA-两端是内部误差放大器输入端，接受来自输出电压和输出电流的误差信号，以实行导通/短开时间的控制，达到PWM占空比控制的目的。脚16SHUTDOWN端是封锁输出脉冲的接线端，接收过流、过压封锁信号，脚8和脚9外接决定开关频率的电阻RT和电容CT。控制输出端Bout（14脚）和Aout（11脚）分别接D触发器的置“1”端和置“0”端，通过触发器的延时翻转，在滞后桥臂上得到滞后超前臂开关信号一些时间的开关信号，通过主电路的软开关电路实现ZVS和ZCS。S1-S4是输出到IGBT驱动电路的控制信号，如图3(b)所示是一个IGBT的驱动电路。

3．电路参数计算
对元件和参数作一个计算。开关频率及PWM控制脉冲宽度（占空比）是输出稳定性高低的关键，IGBT和高频整流快速恢复二极管是电源工作恢复高低的关键。
3．1 开关频率及占空比的计算
为了计算这两个参数，先设计高频变压器的匝比为10：1。因为电源输出电压U0为28V，所以高频变压器输入端的平均电压US’应为280V。由DC-DC变换原理可知：Us，/ Ud =D/T， 而Ud=1.35UL，式中：UL---- 三相供电线有效值(380V),所以，D/T=280/513=0.545=0.55,由于是全桥式变换,所以每组开关的占空比Dp=D/2*T=0.2757T图4-a所示为一组开关的工作波形示意图。

综合对电源可靠性要求高,对电源体积要求较高等因素,确定开关电源频率为20KHZ,容易算出最小死区时间为11.25µs。
可见，有这样大的死区时间，可以保证在输入电压有较大波动情况下仍能使输出稳定不变。
3．2　IGBT的选择
对IGBT的选择，主要考虑正常工作时流过IGBT的电流有效值、平均电流和反向电压Uces。因为象开关损耗发热、工作条件严酷等因素都不能忽略，所以选择时，其元件的参数应取2倍以上安全系数,。由于是全桥式电路，且高频变压器变比为10 : 1 ,次级输出电流为连续的100A电流，所以流过变压器初级电流平均值IL（av）应为10A，流过每个IGBT的稳定电流波形如图4-b所示，其电流计算如下：
因为
所以IGBT的稳态幅值电流为:
IGBT电流的有效值为：
在器件手册中，给出的IGBT元件参数额定电流是直流连续平均电流，而在实际工作中，IGBT的过流损坏一般是热效应引起的。所以综合成本和可靠性问题，常常选IGBT的额定电流大于工作电流有效值IT两倍以上。电路中，每个开关元件的工作电压均为电源电压Ud，即Uces=Ud=513V，所以IGBT的耐压应选择1000V以上。
3．3　 次级整流二极管的选择
分析计算方法同IGBT的选择。流过二极管的峰值电流180A，平均电流IDav=50A,有效值电流ID=95A，所以选择IFav=200A,VRRM.≥100V的快速恢复二极管。
3．4　 输入整流电路及附加单相升压变压器的确定
因为由三相供电时，Ud=1.35UL=1.35×1.707×UP。为了保证单相供电时,开关电源输出不变，显然，此时须有Ud’= Ud=1.35×1.707×UP。由单相全波整流原理知,其整流输出电压Ud’是整流输出电压有效值UX的1.1～1.2倍.所以由上式有: ( 1.1～1.2)UX=1.35×1.707×UP,其中UP是相电压。
所以,选择整流电路，其耐压值比三相时选高一些,同时,整流电流值也应比三相时大一些,一般选择大三分之一即可。变压器的匝比设计为1:2 即可满足要求。
4． PWM电路的选择
文章选择UC3846双输出电流型PWM控制器集成电路。该电路在开关频率为20KHZ时，其最大占空比可达50%，所以它的控制是有效和稳定的。
5. IGBT的驱动和保护
IGBT的工作是由其栅极电压的正负来控制的,当UGE>0时,IGBT导通,当UGE<0时,(一般UGS≤-5V ),IGBT截止。考虑到它的特点和工作原理,选用了由正负双电源供电的M57962L型专用驱动集成电路。该电路有内藏定时逻辑短路保护电路,并且有保护延时功能。驱动保护原理电路如图3（b）所示。对IGBT除驱动电路本身提供的短路(过流)保护功能外，在IGBT上并联RC缓冲支路和电源两端并联吸收电容也是效果明显的方法。
6.结束语
本开关电源比较切合实际应用。因为整流电路的参数设计是按单相考虑的,用在三相供电时有充分的裕度,故使系统更加稳定可靠；用在单相供电时同样能正常工作。这就解决了开关电源因供电电源局限的矛盾。用这种方法,亦可对现有的开关电源作改造,使其成为单相,三相均可供电的开关电源。