基于UC3844的变频器IGBT驱动电源设计_武素珍

算过程。最后给出样机实验波形， 该驱动电源经长时间运行， 各项技术指标符合变频器
ＩＧＢＴ驱动的要求， 表明该设计方案正确、可靠， 在工程应用中具有一定的参考价值。
关键词： 驱动电源； ＵＣ３８４４； 变频器
中图分类号： ＴＰ２１１
文献标示码： Ｂ
文章编号： １００１－ １３９０（ ２００８） ０８－ ００５７－ ０４
Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ａ ｓｉｎｇｌｅ － ｅｎｄ ｆｌｙ － ｂａｃｋ ＩＧＢＴ ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｕｒｒｅｎｔ － ｍｏｄｅ ＰＷＭ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｖｏｌｔａｇｅ－ ｍｏｄｅ ＰＷＭ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ－ ｍｏｄｅ ＰＷＭ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ＵＣ３８４４ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ． Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｐｅｒｉｐｈｅｒｙ ｃｉｒｃｕｉｔ， ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｔｅｓｔｉｆｉｅｓ ｔｈａｔ， ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｈａｓ ｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ， ａｎｄ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ． Ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ， ＵＣ３８４４， ｉｎｖｅｒｔｅｒ
式中ＶＳＰＩＫＥ取２０Ｖ， 则延迟时间为０．００５ｍｓ。开关管导通 关断周期为１／４０ｋＨＺ＝０．０２５ｍｓ， 所以电容上储存能量 至少能够在（ ０．０２５／２－ ０．００５） ｍｓ内释放给电阻。考虑到 ＵＣ３８４４占空比一般达不到５０％， 所以取时间常数τ＝ ０．０１ｍｓ， 则电阻取值至少为１ｋΩ。电容放电期间电阻 上的平均电压取为１２０Ｖ， 此时电阻上功耗为１４．４Ｗ。 为了平衡电阻功耗、放电时间等因素， 我们最终选取 电容Ｃ为１ ｎＦ／１０００Ｖ， 两个电阻的阻值为５ ｋΩ、额定功 耗１Ｗ的电阻。各部分电路如图５和图６所示。
已知该开关电源输出 功 率 为６０Ｗ， 工 作 频 率 为
４０ｋＨｚ， 变压器漏感为０．２ｍＨ， 变压器原边峰值电流
０．４６Ａ。当开关管关断时电路会发生高频谐振而使开
关管ＤＳ两端电压升高， 但是由于漏感产生的ＶＳＰＩＫＥ的 能量能够及时转移到Ｃ２中， 而使Ｃ２的端电压从次级反 射电压ＶＯＲ上升到最大值 （ＶＯＲ＋ＶＳＰＩＫＥ）； 当开关管导通 时， Ｃ２通过电阻Ｒ３ 、Ｒ４放电， 这样在下个周期开关管关 断 前 ， 能 够 使 得Ｃ２的 端 电 压 从（ＶＯＲ＋ＶＳＰＩＫＥ）恢 复 到ＶＯＲ。 这样， 只要能够合理设置时间常数， 就能保证在一个
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７为集成块工作电源端，电压范围为８．５～３７Ｖ。 对于电流型控制芯片ＵＣ３８４４，使输出驱动信号关
断的方法有两种： 一种是将引脚１电压降至１Ｖ以下，另 一种是将引脚３电压升至１Ｖ以上。这两种方法都是使 电流比较器输出高电平， ＰＷＭ锁存器复位， 关闭输出 端， 直至下一个时钟将ＰＷＭ锁存器置位为止。根据这 一原理， 可以控制引脚１ 、３电压的变化， 实现各种必 要的保护。 ３ 驱动电源拓扑结构
本系统采用单端反激式变换器电路， 单端反激式 变换器电路拓扑如图４所示［３］［４］。
ＵＣ３８４４ 的 供 电 采 用 开 始 时 由 原 边 主 电 路 通 过 电 阻分压供给， 电路正常工作后由副边供电。一般情况 下 ＵＣ３８４４ 的 工 作 电 流 为 １ ～１．５ ｍＡ， 则 Ｒ ＝５４０Ｖ／ １．５ｍＡ＝３６０ ｋΩ。所以， Ｒ２、Ｒ１６、Ｒ１７取为１００ ｋΩ／２Ｗ， Ｒ１８ 取为５１ ｋΩ／１Ｗ即可（ 见图５） 。工作频率由振荡电阻Ｒ１２ 和电容Ｃ６决定（ 见图６） 。实际工作频率是阻容频率的 一半， 所以定时电阻取为２０ ｋΩ， 电容取为１０００ ｐＦ。脚 ６是输出端， 经一个限流电阻（ ５６Ω／１Ｗ） 限流后驱动功 率ＭＯＳＦＥＴ（ ２ＳＫ１３１７） 。为保护功率ＭＯＳＦＥＴ， 在脚６并 联一只１８Ｖ的稳压二极管。 ３．３ 电流反馈电路设计
０引言 通用型变频器硬件设计的一个重点是驱动电源
的设计。在变频器中开关电源一般采用主回路直接供 电方式， 这样就要求设计的电源工作范围要比较宽， 需在ＤＣ２００Ｖ～ＤＣ８００Ｖ之间正常工作。在ＤＣ２００Ｖ电源 时主要考虑电源的功率能否满足要求， 即回路的电流 问题； 在ＤＣ８００Ｖ电源时主要考虑电源的耐压能否满 足要求， 即回路电源输出
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反 馈 电 压 Ｕｆ与 基 准 电 压 Ｕｇ比 较 放 大 得 到 误 差 电 压 Ｕｅ。 该误差电压再与锯齿波发生器产生的锯齿波信号进 行比较，产生占空比变化的矩形波驱动信号。这种结 构属于典型的单闭环系统，缺点是控制过程中主电路 的电流没有参入输出控制。由于电感的作用，电流滞 后于电压的变化，因而系统响应速度慢，稳定性差。
图２ 电流型ＰＷＭ控制系统框图 电流型ＰＷＭ是在脉宽比较器的输入端， 直接用 流过输出电感线圈电流的信号与误差放大器输出信 号进行比较， 从而调节占空比， 使输出的电感峰值电 流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环、 电流环双环系统，因此， 无论开关电源的电压调整率、 负载调整率和瞬态响应特性都有提高， 是目前比较理 想的新型ＰＷＭ控制器［１］。 １． ３ 电流型ＰＷＭ控制的优点 （１） 电压调整率好。输入电压的变化立即引起电 感电流的变化， 电感电流的变化立即反映到电流控制 回路而被抑制。不像电压控制要经过输出电压反馈到 误差放大器， 然后再调节的复杂过程， 所以响应快。如 果输入电压的变化是持续的， 电压反馈环也起作用， 因而可以达到较高的线性调整率。
的电感电流未参与控制， 是独立变量， 开关变换器为 二阶系统， 而二阶系统是一个有条件的稳定系统； 后 者是一个电压、电流双闭环控制系统， 电感电流不再 是一个独立变量， 从而使开关变换器成为一个一阶无 条件的稳定系统， 因而很容易不受约束地得到大的开 环增益和完善的小信号、大信号特性。为此， 应用电流 控制型芯片（ 峰值电流控制） ＵＣ３８４４设计了一ＩＧＢＴ驱 动电源， 其主要技术指标为： １０路输出， 总功率６０Ｗ； 工作频率为４０ｋＨｚ； 输入交流电压范围为３８０Ｖ±１５％。 １ 电压ＰＷＭ控制器和电流型ＰＷＭ控制器控制原 理及性能比较 １． １ 电压型ＰＷＭ控制
（２） 负载调整率好。由于电压误差放大器可专门 用于控制占空比， 以适应负载变化造成的输出电压的 变化， 因而可大大改善负载调整率。
（３） 系统稳定性好。 ２ 电流型ＰＷＭ控制芯片ＵＣ３８４４的基本原理
ＵＣ３８４４是 电 流 型 单 端 输 出 式ＰＷＭ控 制 芯 片，其 最大占空比为５０％， 具有过压保护和欠压锁定功能， １６Ｖ（ 通） 和１０Ｖ（ 断） 的欠压锁定门限十分适合于离线 变换器。其内部框和引脚图如图３所示［２］。
图３ ＵＣ３８４４ 内部框图及引脚图
在图３中， 电压反馈输入和２．５Ｖ基准电压之差经 误差放大器放大后作为门限电压， 与电流取样输入经 采样后的电压， 一起送到电流取样比较器。当电流取 样电压超过门限电压后， 比较器输出高电平触发ＲＳ 触发器， 然后经或非门输出低电平， 关断功率管，并保 持这种状态直至振荡器输出脉冲到触发器和或非门 为止。这段时间的长短由振荡器输出脉冲宽度决定。 ＰＷＭ信号的上升沿由振荡器决定， 下降沿由功率开 关 管 电 流 和 输 出 电 压 共 同 决 定 。 ＵＣ３８４４ 的 振 荡 工 作 频率由引脚４与引脚８之间所接定时电阻ＲＴ、引脚４与 地 之 间 所 接 定 时 电 容ＣＴ设 定 。 计 算 公 式 为： ｆ＝１．７２／ ＲＴＣＴ。 引 脚２是 电 压 反 馈 端，将 反 馈 电 压 加 至 误 差 放 大 器的反相输入端， 与同向输入端的２．５Ｖ基准电压进行 比较，产生误差电压。利用内部误差放大器可以构成 电压环。引脚３是电流反馈端， 电流取样电压由引脚３ 输入到电流比较器。当引脚３ 电压大于１Ｖ时， 输出关 闭。利用引脚３和电流比较器可以构成电流环。引脚１ 是补偿端，外接阻容元件以补偿误差放大器的频率特 性； 引脚８为５Ｖ基准电压， 带载能力５０ ｍＡ； 引脚６为推 挽输出端， 有拉、灌电流的能力； 引脚５为公共端； 引脚
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｆｏｒ ｉｎｖｅｒ ｔｅｒ ’ｓ ＩＧＢＴ ｄｒ ｉｖｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＵＣ３８４４
ＷＵ Ｓｕ－ ｚｈｅ１， ＷＡＮＧ Ｋｕｎ２ （ １． Ｘｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖ．， Ｘｉ′ａｎ ７１０１２３， Ｃｈｉｎａ． ２． Ｊｉａｍｕｓｉ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ， Ｊｉａｍｕｓｉ １５４４００，
开 关 电 源 的 控 制 电 路 可 以 分 为 电 压 型 ＰＷＭ控 制 器 和 电 流 型ＰＷＭ控 制 器 。 电 压 型ＰＷＭ控 制 器 是 指 控 制器按反馈电压来调节输出脉宽； 电流型ＰＷＭ控制 器是指控制器按反馈电流来调节输出脉宽。前者是一 个单闭环电压控制系统， 在其控制过程中电源电路中