380V AC输入多路输出小功率辅助开关电源电路结构及工作原理

1 引言

随着电力电子器件和高频逆变电子技术的高速发展， 各种采用大功率逆变技术的电源变换装置被大量应用于各种行业， 如变频器、电镀、电弧炉、UPS、电气化机车、通信电源、电焊机等， 而IGBT 由于其集双极型功率晶体管和功率MOSFET 的优点于一体的相对优异的综合电性能指标， 在上述电源变换装置中被广泛使用。

为了最大限度发挥IGBT 的优越性， 各生产厂家相继研制出各种驱动和保护电路并推向市场， 如三菱公司的M57959 /57962、富士电机的EXB840/841、东芝公司的TLP250、惠普公司的HCLP- 316J、西门康的SKH I22A /B 等， 其中由于M57959 /57962具备较高的性价比， 因而在各种大功率IGBT 电源变换装置中得到了广泛应用。

每个M57959 /57962 需要正负两种辅助电源，并且由于大功率IGBT栅极- 发射极间存在较大的寄生电容， 在驱动脉冲的上升和下降沿均需要提供数安的充放电电流， 才能满足开通和关断的动态要求， 这使得正负两种辅助电源必须能输出一定的峰值电流。一般情况下， 大功率IGBT 电源变换装置多采用全桥电路拓扑， 因此需要8 路共4对相同的正负两种辅助电源。在大多数实际应用场合， 采用的是传统的变压器降压加线性稳压或传统的变压器降压加一个或多个普通开关稳压器的供电方式， 不仅体积、重量大， 而且效率低， 对输入电压适应范围窄， 不能满足现在对电源变换装置体积、效率和适应性方面的要求。如果采用单个开关电源同时产生该8路共4 对相同的正负两种辅助电源， 则可以弥补这些不足。

辅助开关电源输出平均功率约30W， 为简化电路、缩小体积、提高可靠性， 单端反激变换器为最佳选择。但在实际情况下， 有些大功率IGBT 电源变换装置的输入是没有中线的三相三线制电源（如电焊机）， 这就要求辅助开关电源能在380 V AC 输入条件下工作（最高可达460 V AC ） ， 此时开关管的耐压要求应在1 200 V 以上， 给器件的选择带来难度。

笔者在设计一套26. 4 kW 的大功率IGBT 电源变换装置时， 针对厚膜驱动电路M57962的需求， 研制了一种小体积、高可靠的380 V AC 输入、多路输出小功率辅助开关电源。

2 电路结构及工作原理

380 V AC 输入、多路输出辅助开关电源电原理图如图1所示。在图1中， 使用了一只常见的美国PI公司第二代功率开关集成电路TOP224Y.这是一种大规模功率IC， 不仅集成了振荡电路、启动电路、PWM 控制电路、过流保护电路、过热保护电路，而且集成了一只700 V 的功率MOSFET.该功率IC与使用一只分立MOSFET 和外接控制集成电路的方案相比， 可以减少约20个外围元件。由于内含MOSFET 的额定电压是700 V， 只能用于单相220 VAC输入， 因此再串联一个额定电压不低于600 V的功率MOSFET （ 1V104） ， 内外两只功率MOSFET 耐压之和超过1 300 V， 便可以将1 200 V 以上的电压分配在这两个器件上， 使该电源能安全应用于380V AC 输入的高压场合。

图1 380 V AC 输入、多路输出辅助开关电源电原理图

如图1所示， 辅助开关电源共有A、B、C、D 4对不共地的+ 15 V、- 9 V 输出， 由于该电源的平均输出功率比较恒定， 且4对输出指标要求完全相同， 因此采用了初级反馈的稳压方式。精密基准TL431（ 1N102）的应用， 使该多路输出电源的输出电压具备极高的稳定度指标。

正常情况下， 整流滤波后的约530 V 直流电压加在变压器的初级绕组一端， 初级绕组的另一端接至外接MOSFET 1V 104 的漏极。1V 104 与1N101（ TOP224Y）内部的MOSFET是串接关系。当1N101内部的MOSFET导通时， 把1N101的源极电压拉到低电平， 1V104导通。稳压二极管1V105则限制了1V104的栅源电压， 使其不致因过压而被击穿。当1N101关断时， 1V105失压， 1V104同时关断， 此时1V107、1V108和1V109串联构成一个550 V 箝位电路， 确保1N101的漏极电压保持在550 V 左右。当输入直流电压高于550 V 时， 超过550 V 的那部分电压便加在1V104上， 这样可把反激电压和直流母线电压按设计分配在1V104和1N101内部的MOSFET上。在反激期间， 由1V102A、1V 102B和1V103组成的箝位电路限制了由于变压器漏感在1V104和1N101上出现的电压尖峰。

由于采用的是初级反馈的稳压方式， 辅助绕组输出一方面对控制电路提供电源， 同时经1R107和1RP101向反馈控制电路提供比例于输出电压的取样信号， 经过1N102 比较放大， 调整流过三极管1V106的电流， 即流入1N101的电流， 从而达到稳定输出电压的目的。

图2 采用第四代功率IC的宽电压输入、多路输出辅助 开关电源电原理图

如果使用PI公司第四代功率开关集成电路TOPSw itch- GX系列， 只需增加2个电阻， 就可以使该电源具备输入过压、欠压保护功能和过流保护编程能力， 同时还具备开关频率抖动功能， 从而改善电源的电磁兼容指标。另外， 如果将本辅助电源的输入接成三相四线输入并整流滤波， 再通过对电路元器件和开关变压器的合理的选取和设计， 可以使其在输入为单相115 V AC、220 V AC 或三相200 VAC、380 V AC或在输入失去一相或者不止一相、中线没有接上或者电网出现浪涌、甚至电压长时间下降的情况下， 仍然可以很好地工作， 其电原理图如图2所示。

3 试验数据

笔者对图1所示电路的辅助电源实物进行了测试。测试结果表明， 该辅助电源可以在380 V AC输入条件下安全可靠地运行， 并在较宽的输入电压范围内保持很好的稳压效果和远高于传统辅助电源供电方式的工作效率。表1为源效应测试数据， 图3为效率随输入电压的变化曲线。由于输入供电电源可调范围有限， 因此仅有最高440 V AC时的测试数据。试验时辅助电源各路输出负载总功率约为30W.

4 结语

用图1所示电路制作的实物测试数据表明， 在220~ 440 V AC 较宽的输入电压变化范围内， 辅助电源的源效应小于0. 5%， 工作效率则不低于70%。

该开关电源外形尺寸为113 mm 61 mm 32. 5mm， 重量为150 g， 作为三相380 V AC 输入的大功率电源变换装置中IGBT 驱动电路用多路输出辅助电源， 电路简单， 体积小、重量轻、效率高， 具有很高的实用价值。笔者将其作为输出功率达26. 4 kW电源变换装置中IGBT 混合厚膜驱动电路M57962的辅助供电电源， 投入实际运行后， 工作正常、安全、可靠， 完全满足设计要求。