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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。
 一 种简易 的IGBT驱动电路原理图
 
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。
 带有缓冲电路的反激变换器拓扑
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。
 基于VIPer22ADIP的18V/5W反 激 变换 器
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。
 反激变换器的输出纹波测试波形
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。
IGBT模块栅极驱动信号波形
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