【经验】适用于半桥结构隔离式IGBT栅极驱动的Flybuck电源参考设计
本文中必易微主要介绍适用于半桥结构隔离式IGBT栅极驱动的Flybuck电源参考设计。
设计特性
▪ 适用于绝缘栅双极型晶体管栅极驱动（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
1. 系统概述
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。
Flybuck的工作波形如图4所示。在Ton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Toff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。
一次侧输出电压为：
二次侧输出电压为：
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：
因此，一次侧的正向峰值电流为：
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。
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。
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：
其中，Pdriver为栅极驱动器总功耗，Qgate为总栅极电荷，fsw为开关频率，ΔVgate为栅极驱动器输出电压摆幅，Cge为外部栅极到发射极电容。
考虑IGBT模块参数为1200V/200A，Qgate=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），Cge=20nF，Pdriver=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。
2.3.1变压器
一次侧输出电压Vout1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：
考虑二极管导通压降VF=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：
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Δim(max)=0.63A，Δim(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：
KP523308的波峰电流限流值IHS(OC)为5A，谷底电流限流值ILS(OC)为4A，反向电流限流值ILS(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：
其中Bmax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 ΔVin = 0.2V，则
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ΔVout1=0.05V，则
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ΔVout2=ΔVout3=0.1V，则
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
2.3.4二极管
副边关断时，二极管承受最大反向压降为
二极管最大正向电流为
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。
二次侧满载时，变压器副边电流波形如图8所示。
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。
二次侧输出电压的启动波形如图11所示。
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%。
测量系统二次侧的输出电压Vout2+Vout3，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。
4. 物料清单
5. PCB布局
电路板尺寸为64mm×36mm
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产品型号
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品类
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输入电压(V)
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输出电压(V)
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工作频率(KHZ)
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输出电流(A)
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参考电压(V)
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控制模式
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工作模式
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Features
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KP522201ALGA
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DCDC芯片
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4.5~17
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0.768~7
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600K
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2
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PFM
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产品型号
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输出电压范围(V)
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工作频率(kHz)
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输出电流(A)
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参考电压(V)
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控制模式
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工作模式
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特点
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封装
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KP522201A
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降压转换器
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4.5~17
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0.768~7
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600
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2
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0.768±1.5%
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COT
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PFM/FPWM
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