技术分享 | 一种先进的磁环取能的压接式IGBT驱动方案

11.27.2020

在高压输电、船舶逆变等应用场合，由于电压很高，系统对分立器件的绝缘性能有更高的要求。现有方案通常采用多层级隔离方案，或者将隔离变压器绝缘做大，这些极大增加了系统复杂程度和设计成本。

磁环取电式驱动方案使用具有高绝缘性能的单根多芯硅胶导线穿过需要供电的副边驱动组，导线两端均接在原边电流源的输出端子内。通过控制流过硅胶导线的电流，原边电流源实现对副边驱动组的供电。

该方案能够满足至少30kVac的绝缘耐压需求，极大简化系统的绝缘结构，优化系统设计，降低系统成本。但是，磁环取电方案的控制思路较为复杂，与一般开关电源稍有不同，实际设计难度较大。

图1 磁环取电式驱动方案示意图

电源原理简介

磁环取电式驱动方案的供电方法与传统高频变压器在基本原理上并无本质差异，都是运用了电磁感应原理。

根据电磁感应原理，感应电动势有效值E=4.44∙f∙Np∙μ0∙μr∙Im∙S/l，其中f是频率，Np是原边匝数，μ0是真空磁导率，μr是相对磁导率，Im是原边电流峰值，S是磁芯截面积，l是磁路长度。

在磁芯与匝数均确定的条件下，只有频率f与电流Im是控制器可以改变的。

传统隔离开关电源一般采用固定频率的PWM控制。在负载不变的条件下，根据不同的输入电压情况，控制器通过改变占空比来调整输出电压，本质上也就是改变了原边电流幅值。在IGBT驱动器的设计方面，为了满足原副边的绝缘耐压需求与追求尽可能小的耦合电容，开关电源通常做成开环。这也导致开关电源只能在固定的频率与占空比下工作；而为了得到一个相对稳定的输出电压，输入电压则需固定在某一值。

磁环取电的电源方案采用的是固定电流幅值变频的模式，使用数字控制芯片对原边电流进行峰值谷值控制。接入的驱动器多或负载大时，输出电流频率增大；若接入的驱动器少或负载小时，输出电流频率减小。这样根据负载数量与负载大小的不同调整输出电流频率，既可满足不同负载条件下的功率需求，又能一定程度减小损耗。

原边电流源

根据电磁感应原理，如果原边控制选择定频定值模式，那边副边绕组耦合的能量也比较固定，这就与传统的开环隔离开关电源相同，副边在空载与满载时的电压会波动。但是，如果仅为一个副边绕组供电的话，不同负载状态下的能量损失还是可以接受的。

然而，磁环取电的应用目标是要为十几个负载同时供电，并且因为单根导线穿芯而过，磁环的能量耦合效率很低。这种情况下，空载时原边的损耗与满载时相同，效率损失过大，这种结果显然无法接受。所以定频定值模式是不可行的。

那么定频变值模式是否可以呢？如果要改变原边电流值，也就是电流峰值，根据电感特性公式U=L*di/dt可知，在电感确定的条件下，无非是改变电压与时间（即占空比）其中之一。在本方案中，母线电压与占空比均可由原边数字控制器决定，但是在不建立额外的副边到原边的反馈通道的情况下，数字控制器根本无法知道何时改变电压与占空比这两个变量。所以，定频变值模式依然是不可行的。

最后，变频定值能否满足我们的需求呢？

从电源的原理分析可知，在母线电压对原边绕组励磁时，原边绕组电流上升轨迹遵循电感基本特性，不受副边负载影响。在电流上升至预设值后，母线励磁通路断开，原边绕组漏感Llk电压会反向，其存储的能量通过励磁电感Lm、母线电容与对称开关管的续流二极管（或寄生二极管）得到释放；原边绕组励磁电感为维持磁通，在漏感能量释放完毕后电压反向，励磁电流下降，最终完全退磁。

图2 绕组简图（a）

图3 原边电流波形图（a）

CH1：原边总电流；CH2：励磁电感电流

无论是励磁电感还是漏感，其能量释放的速度均比较快。励磁电感一直被钳位在副边整流后的直流电压上，其电流下降轨迹受到副边影响；且因为匝比的原因端电压很低，电流很小，所以可忽略。漏感是因为回路中存在母线，相当于母线电压在对漏感复磁。那么，我们必须采取额外的措施，使漏感能量不经由母线释放。这样才能让其电流下降轨迹受到副边负载的影响。

图4 绕组简图（b）

在母线励磁通路断开后，通过内部控制制造一低阻抗通路，让漏感释放能量。

图5 原边电流波形图（b）

CH1：原边总电流；CH2：励磁电感电流

从图5可以看出，为漏感建立额外的能量释放通路后，其电流下降斜率明显小了很多。因为漏感与励磁电感是串联关系，漏感电流在维持原边励磁电感磁通的同时，也在向副边负载提供着能量。如果负载变大，那么漏感电流下降斜率就会变大，反之亦然。如果通过设置原边电流的峰值与谷值点作为基准，对电流进行控制，达到峰值时结束励磁，电流降至谷值时切换至反向励磁，如此循环工作。