适用于半桥结构的隔离式 IGBT 栅极驱动 Flybuck 电源

设计特性

▪ 适用于绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 栅极驱动的隔离式电源

▪ 支持适用于半桥的 2 个 IGBT 栅极驱动器

▪ 输入电压范围：10V – 28V

▪ 支持每个 IGBT 的正负偏置输出：15V 和 -8V

▪ 输出功率：2.3W (单个 IGBT)，单路输出额定电流 100mA

▪ 平衡满载峰值效率达 78.5%

特色应用

▪ 交流和直流变速驱动器

▪ 工业逆变器和太阳能逆变器

▪ 不间断电源系统

▪ 伺服驱动器

▪ 基于 IGBT 的高压 DC 系统

图 1. 典型应用电路图

图 2. Demo 展示

1. 系统描述

本参考设计采用 Flybuck 变换器为 IGBT 栅极驱动器提供正负电压轨。Flybuck 变换器可等效于降压变换器和类似反激变换器二次侧的组合，采用同步 Buck 芯片实现电路控制，并使用变压器绕组来取代 Buck 电感，可实现一次侧的稳压功能，同时提供多路的二次侧输出，无需光电耦合器或辅助绕组即可实现隔离式输出控制，具有结构简单、成本低的特点。

本参考设计通过同步降压转换器 KP523308 实现。KP523308 具有 4.5V 至 30V 的宽输入电压范围，支持 3A 持续输出电流，开关频率为 500kHz，轻载时工作在强制脉宽调制模式 (FPWM)。本 Flybuck 系统可工作于 10V 至 28V 的输入电压范围，产生两组 15V 和 -8V 输出，为适用于半桥的 IGBT 栅极驱动器供电。

2. 电路参数设计

2.1 Flybuck 工作原理

Flybuck 在拓扑结构上类似于降压变换器和反激变换器二次侧的组合，如图 3 所示。

图 3. Flybuck 电路图

Flybuck 的工作波形如图 4 所示。在 T_on 期间，一次侧的上管导通、下管关断，二次侧二极管处于截止状态，变压器一次侧电流线性上升；在 T_off 期间，一次侧的上管关断、下管导通，二次侧二极管导通，原边由一次侧电感、下管、输出电容和负载构成续流回路，同时原边能量的一部分被传递至副边，副边电流波形取决于负载、漏感及输出电容。

图 4. Flybuck 工作波形

一次侧输出电压为：

（1）

二次侧输出电压为：

（2）

由上图可见，变压器的磁化电流波形等效于一次侧和二次侧电流的组合，其纹波为：

（3）

因此，一次侧的正向峰值电流为：

（4）

在实际应用中，变压器的漏感会影响二次侧电流的波形。在变压器漏感较小时，二次侧电流可快速上升为输出电容充电。随着漏感增加，二次侧电流上升速度变慢，导致提供给输出电容的电荷减少，严重时会使输出电压降低。同时，较高的漏感值会导致一次侧的负向峰值电流增大。变压器漏感较低时，二次侧峰值电流如式 (5) 所示；变压器漏感较高时，二次侧峰值电流如式 (6) 所示。

（5）

（6）

因此，变压器漏感较低时，一次侧的负向峰值电流如式 (7) 所示；变压器漏感较高时，一次侧的负向峰值电流如式（8）所示。

（7）

（8）

在设计过程中，应保证一次侧的正负向峰值电流不超过芯片限值。

2.2 驱动功率计算

IGBT 总栅极功耗为：

（9）

其中，P_driver 为栅极驱动器总功耗，Q_gate 为总栅极电荷，f_sw 为开关频率，ΔV_gate 为栅极驱动器输出电压摆幅，C_ge 为外部栅极到发射极电容。

考虑 IGBT 模块参数为 1200V/200A，Q_gate = 1.65μC，开关频率为 16kHz，栅极电压摆动范围为 -15V 至 15V (考虑最大范围的值)，C_ge = 20nF，P_driver = 600mW。经计算，得 IGBT 总栅极功耗为 1.68W。考虑降额，在设计中将 IGBT 总栅极功耗定为 2W。

2.3 系统参数设计

本 Flybuck 电路产生两组 15V 和 -8V 输出，为适用于半桥的 IGBT 栅极驱动器供电。系统工作参数如表 1 所示，原理图如图 5 所示。

表 1. 系统工作参数

图 5. Flybuck 原理图

2.3.1 变压器

一次侧输出电压 V_out1 设置为 5V，可满足多种常用的应用场合，同时占空比可保持在 50% 以下，确保有电路有足够的时间向二次侧传递能量。二次侧输出电压方程为：

（10）

（11）

考虑二极管导通压降 V_F = 0.5V，可得变压器匝比为 N1:N2:N3 = 1:3.1:1.7。取纹波电流系数为 0.3，可得变压器一次侧电感为：

（12）

为使一次侧的电感电流峰值不超过限值，取一次侧电感为 13μH，因此 Δi_m(max) = 0.63A，Δi_m(min) = 0.38A。当一次侧空载、二次侧满载时，根据式 (4) (7) (8)，可得一次侧最大的电感电流峰值为：

（13）

（14）

（15）

KP523308 的波峰电流限流值 I_HS(OC) 为 5A，谷底电流限流值 I_LS(OC) 为 4A，反向电流限流值 I_LS(NOC) 为 2.5A。因此，一次侧空载或带 1A 负载时，正向峰值电流可满足限值要求；二次侧满载时，在变压器漏感较小的情况下，负向峰值电流也可满足限值要求。因此，在变压器设计过程中应特别注意对漏感的控制。EP 型磁芯具有磁屏蔽效果好、电感量高、漏感小等优点。本参考设计采用 PC44 材质的 EP10 磁芯。一次侧绕组匝数可按下式计算：

（16）

其中 B_max 为最大磁通密度，Ae 为磁芯的有效截面积。本设计中，变压器绕制匝数选取为 N1:N2:N3 = 5:16:9。

2.3.2 输入、输出电容

取输入电容纹波 ΔV_in = 0.2V，则

（17）

考虑降额，选取输入电容值为 10μF，同时并联一个 0.1μF 的电容滤除高频噪声。取一次侧输出电容纹波 ΔV_out1 = 0.05V，则

（18）

考虑降额，选取一次侧输出电容为 2 个 22μF 电容并联。取二次侧输出电容纹波 ΔV_out2 = ΔV_out3 = 0.1V，则

（19）

考虑降额，选取二次侧输出电容值为 10μF，同时并联一个 0.1μF 的电容滤除高频噪声。

2.3.3 反馈电阻

KP523308 的反馈电压为 0.6V，取反馈下电阻为 10kΩ，则另一个电阻为

（20）

2.3.4 二极管

副边关断时，二极管承受最大反向压降为

（21）

（22）

二极管最大正向电流为

（23）

因此，可选取 100V/1A 的肖特基二极管。

2.3.5 预负载

为防止在轻载时二次侧输出电压偏高，需要在输出侧添加预负载。预负载电流通常设置在 5mA 左右，可根据实际测试和应用要求调整。本参考设计选取 3kΩ 和 1.6kΩ 的电阻作为预负载。

3. 测试结果

一次侧空载或带 1A 负载时，变压器原边电流波形如图 6 和图 7 所示。

图 6. 变压器原边电流波形

 (V_in = 10V, I_out1 = 0A,

I_out2 = 100mA, I_out3 = 100mA)

图 7. 变压器原边电流波形

 (V_in = 10V, I_out1 = 1A,

I_out2 = 100mA, I_out3 = 100mA)

二次侧满载时，变压器副边电流波形如图 8 所示。

图 8. 变压器副边电流波形 

(V_in = 10V, I_out1 = 1A, 

I_out2 = 100mA, I_out3 = 100mA)

一次侧和二次侧输出均满载时，输出电压纹波如图 9 和图 10 所示。

图 9. 一次侧输出电压纹波波形 

(V_in = 10V, I_out1 = 1A,

 I_out2 = 100mA, 

I_out3 = 100mA)

图 10. 二次侧输出电压纹波波形

(V_in = 10V, I_out1 = 1A, 

I_out2 = 100mA, 

I_out3 = 100mA)

二次侧输出电压的启动波形如图 11 所示。

图 11. 二次侧输出电压启动波形

(V_in = 10V, I_out1 = 1A, I_out2 = 100mA, I_out3=100mA)

在输出均负载的情况下，系统效率曲线如图 12 所示。系统满载效率可达 78.5%。

图 12. 效率曲线

测量系统二次侧的输出电压 V_out2+V_out3，在输出均负载的情况下，系统的负载调整率如图 13 所示。在输出满载的情况下，系统的输入调整率如图 14 所示。

图 13. 负载调整率

图 14. 输入调整率

4. 物料清单

表 2. 物料清单

5. PCB 布局

电路板尺寸为 64mm×36mm

图 15. 顶层

图 16. 底层