脉冲激光电源的实用ＩＧＢＴ驱动电路设计

在大功率脉冲激光电源中，一般以工频交流电作为其一次电源，为了使激光电源工作在高效率而减小体积，通常对整流滤波后的数百伏直流电采用ＬＣ串联谐振逆变拓扑以完成高重复率充电。自２０世纪８０年代后期以来，绝缘栅双极型晶体管（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ，ＩＧＢＴ）已经迅速发展成为电力电子变换的主要装置。因其既是一种类似于ＭＯＳＦＥＴ的压控器件，又有电力三极管耐大电流的优势，目前已广泛应用于包括激光电源在内的多种开关电源中［１－３］。ＩＧ－ＢＴ的应用依赖于所在电路的条件和电磁环境，尤以其栅极驱动电路的设计为重点。由于反激变换器具有拓扑简单、输入输出电气隔离、较高的效率和较小的体积，故是小功率开关电源的极佳选择。在脉冲激光电源的高效率、高重复率要求和工频交流电输入条件下，采用单片开关电源的反激变换器作为ＩＧＢＴ驱动电路的直流电压源成为一种可能的解决方案。本文将分析不连续导电模式（ＤｉｓｃｏｎｔｉｎｕｅｄＣｏｎｄｕｃｔｉｏｎＭｏｄｅ，ＤＣＭ）情形下采用单片开关电源ＶＩＰｅｒ２２ＡＤＩＰ的反激变换器及其缓冲电路参数设计，并给出相关的实验结果。
 
ＩＧＢＴ模块驱动电路的基本要求
根据大功率脉冲激光电源的使用环境和具体条件，ＩＧＢＴ驱动电路应满足以下基本要求：
１）实际导通时栅极偏压一般选１２～１５Ｖ为宜；而栅极负偏置电压可使ＩＧＢＴ可靠关断，一般负偏置电压选－５Ｖ为宜。在实际应用中为防止栅极驱动电路出现高压尖峰，最好在栅射之间并接两只反向串联的稳压二极管。
 
２）考虑到开通期间内部ＭＯＳＦＥＴ产生Ｍｉｌｌ－ｅｒ效应，要用大电流驱动源对栅极的输入电容进行快速充放电，以保证驱动信号有足够陡峭的上升、下降沿，加快开关速度，从而使ＩＧＢＴ的开关损耗尽量小。
 
３）选择合适的栅极串联电阻（一般为１０Ω左右）和合适的栅射并联电阻（一般为数百欧姆），以保证动态驱动效果和防静电效果。
 
根据以上要求，可设计出如图１所示的半桥ＬＣ串联谐振充电电源的ＩＧＢＴ驱动电路原理图。考虑到多数芯片难以承受２０Ｖ及以上的电源电压，所以驱动电源Ｖｏ采用１８Ｖ。二极管Ｖ７９将其拆分为＋１２．９Ｖ和－５．１Ｖ，前者是维持ＩＧＢＴ导通的电压，后者用于ＩＧＢＴ关断的负电压保护。光耦ＴＬＰ３５０将ＰＷＭ弱电信号传输给驱动电路且实现了电气隔离，而驱动器ＴＣ４４２２Ａ可为ＩＧＢＴ模块提供较高开关频率下的动态大电流开关信号，其输出端口串联的电容Ｃ６５可以进一步加快开关速度。应注意一个ＩＧＢＴ模块有两个相同单管，所以实际需要两路不共地的１８Ｖ稳压电源；另外ＩＧＢＴ栅射极之间的５１０Ω并联电阻应该直接焊装在其管脚上（未在图中画出），而且最好在管脚上并联焊装一个１Ｎ４７３３和１Ｎ４７４４（反向串联）稳压二极管，以保护ＩＧＢＴ的栅极。  
稳压型反激式开关电源的设计
本脉冲激光电源的直流电压是由工频交流电经过两个半波整流滤波叠加得到，故可认为输入的逆变直流电压为６２０Ｖ±１５％，采用的ＩＧＢＴ模块为ＢＳＭ１００ＧＢ１２０ＤＮ２Ｋ，查阅其数据手册以及根据文献［５］可计算出实际开通输入电容Ｃｉｎ为２５．８ｎＦ，而本脉冲激光电源采用的开关频率ｆＩＧＢＴ为２０ｋＨｚ左右，故栅极驱动所需的平均功率为Ｐｇａｔｅ＝１２·ＣｉｎＶ２ｏｆＩＧＢＴ＝０．０８４Ｗ，而ＴＬＰ３５０和ＴＣ４４２２Ａ芯片的功耗之和可根据其数据手册估算为０．２２Ｗ，电阻及稳压二极管的功耗可估算为０．９Ｗ。为了后续扩展电路功能以及方便施工，可将１８Ｖ直流稳压源的输出功耗确定为５Ｗ。 确定反激变换器的基本参数
 
根据以上ＩＧＢＴ驱动电路的基本要求，采用单片开关电源型号为ＶＩＰｅｒ２２ＡＤＩＰ，可以满足最高输出２０Ｗ的离线式反激变换器设计，其开关频率ｆｓ固定为６０ｋＨｚ、内嵌ＭＯＳＦＥＴ最小击穿电压７３０Ｖ，具有输入工频交流电压范围较宽、可提供初始起动电流和迟滞起动电压的特点。设计反激变换器时，必须注意设计顺序，首先应确定反激变压器的初级与次级的匝数比ｎ。如图２所示，在带有缓冲电路的反激变换器中，依据文献［６］可知ＭＯＳＦＥＴ的最大电压应力为ＶＤＣ（ｍａｘ）＋ｖｓｃ，其中ＶＤＣ（ｍａｘ）是输入交流市电经过整流滤波后的最大值，即３１０Ｖ×１．１５，而ｖｓｃ为缓冲电路的吸收电压，考虑反激变换器中的输出整流二极管Ｄ的压降１Ｖ，可取为２．５ｎ（Ｖｏ＋１），考虑工程中的裕度，可使单片开关电源中的ＭＯＳＦＥＴ最高运行于８０％的击穿电压。 实验结果及分析
 
在变换器的ＬＣ输出端接入两个２Ｗ／２００Ω的电阻进行静态测试。实验中使用的仪器为：Ａｇｉ－ｌｅｎｔ５４８３３Ａ型示波器，１００７３Ｄ低压探头。示波器置于ＡＣ档对输出电压纹波进行观测，波形如图５所示。由实验结果看，输出纹波可以基本保持在±１０ｍＶ以内，满足设计要求。 此后对反激变换器电路板与ＩＧＢＴ模块驱动电路板进行对接联调。观察了ＩＧＢＴ栅极的驱动信号波形，如图６所示。由实验结果看，ＩＧＢＴ在开通时驱动电压接近１３Ｖ，而在其关断时间内电压接近５Ｖ。这主要是电路中的光耦和大电流驱动器本身内部的晶体管对驱动电压有所消耗（即管压降）造成的，故不可能完全达到１８Ｖ供电电源的水平。