LLC 谐振式IGBT 驱动电源的研究

刘 洋 何成军

（青岛海信日立空调系统有限公司，山东 青岛266510）

传统小功率IGBT 驱动技术采用光耦- 稳压电源式驱动技术，在IGBT 发生短路故障时无法令门极电压快速降低，可能导致IGBT 的短路故障发生扩散，继而发生更大的损失。[1-2]中大功率IGBT 驱动采用反激拓扑衍生出的Vcc 反馈式驱动电源（PSR-Flyblack）。在IGBT 发生短路故障时，驱动电源限制门极电压可避免IGBT 故障范围的扩散，但驱动电源反馈绕组Vcc电容瞬时冲击电压损坏驱动电源芯片及周围稳压器件。[3]

随着大功率光伏逆变器的普及和应用，提高IGBT 的驱动及保护技术已经成为当前研究的重点[4]。本文设计的对称式半桥LLC 谐振驱动电源，能够高效驱动大功率IGBT，具备IGBT 门极短路保护功能，并结合软开关技术和倍压整流技术实现在低输入电压的条件下实现开关管零电压开通，副边二极管零电流关断。有效减小开关损耗，该驱动技术普遍适用于NPC 式光伏逆变器[5]。

1 半桥LLC 驱动电源的工作原理

图1 电路关键点的波形

阶段1(t2-t3):如图2(a)，当上管S1 开通时此时由于谐振电流Ics大于变压器励磁电流Im，次级输出绕组与备压整流电容通过D3一起向后级释放能量。

阶段2(t3-t4): 如图2(b)，此阶段下励磁电流Im与谐振电流Ics相等，此时D3零电流自然关断。此时D3与D4没有反向回复损耗。

阶段3(t4-t5): 如图2(c)，此阶段上管S1 关断，此时Mos 管结电容Ds1和Ds2分别参与谐振充电和谐振放电过程，直到Ds2放电到零，进入箝位续流阶段为S2 的零电压开通（ZVS）做准备。Im线性下降与Ics正弦式下降，但Ics小于Im，此时二极管D1开始为C3充电开始倍压过程。

阶段4(t5-t6): 如图2(d)，此阶段下管S1 零电压开通，此阶段谐振电容电感参与谐振，此时Ics小于Im继续进行D1和C3的倍压过程。

阶段5(t6-t7): 如图2(e)，此阶段Ics等于Im，因此时D1零电流自然关断。

阶段6(t7-t8): 如图2(f)，此阶段Ics小于Im，此时次级输出绕组与备压整流电容通过D3一起向后级释放能量。

图1 为半桥LLC 驱动电路各关键点的波形。VS1VS2分别为上下管驱动波形、Ics为谐振电流波形、Im为变压器的励磁电流、VAB为桥臂中点的波形、Ic1为备压整流电容的放电电流波形、ID1为备压整流电容的充电电流波形。

图2

2 LLC 谐振电源谐振网络参数

通过等效模型如图3，计算桥臂中点基波电压有效值见式（1）。

当谐振电感Lr与谐振电容Cr完全谐振时，此时原边电压完全加在输入等效电阻上，可计算出此时的等效电阻Rm。见式（2）

当电源满载输出此时Lr与Cr在完全谐振的条件下二者电压和为零，此时有效值均分为一半的输入电压，见式（3）。

根据Q 值定义计算出Q 值并以此计算谐振电感和谐振电容等谐振网络相关参数。并计算出变压器的励磁电感Lm

由于驱动电源功率不大且变压器类型为正激式驱动，只需要变压器的原边电感在设计过程中满足谐振参数即可。线径在满足基本安规的条件下，考虑到趋肤效应等即可满足设计要求。

3 仿真结果分析

图4 LLC 电路仿真波形