一种高频电磁隔离的驱动方法研究

孙 刚，郑金燕，方 宇

(1. 南京信息职业技术学院 科技处, 南京 210023) (2. 扬州大学信息工程学院 自动化系， 江苏 扬州 225100)

·电源技术·

一种高频电磁隔离的驱动方法研究

孙 刚1，郑金燕2，方 宇2

(1. 南京信息职业技术学院 科技处, 南京 210023) (2. 扬州大学信息工程学院 自动化系， 江苏 扬州 225100)

针对电力电子电路高频化应用趋势，提出了一种高频电磁隔离驱动方法。文中分析了基于数字控制芯片和模拟电路实现电磁隔离驱动的工作原理, 具体给出了硬件电路的设计和软件的配置方法。该电磁隔离驱动方法，能为脉宽连续变化的控制脉冲提供隔离放大，且脉冲占空比能在0～1.0的范围内进行调节，除了具有绝缘强度高，抑制共模干扰能力强等优点之外，还具有成本低、动态响应速度快的优点，适用于高功率密度要求下电力电子变换器中开关管的驱动。实验结果表明：研究的驱动方法是行之有效的，具有很好的实际应用价值。

电磁隔离；驱动电路；占空比；数字控制

0 引 言

近年来，电力电子技术在新能源发电和电动汽车充电领域迅猛发展，其装置的使用日益增多。当今对电力电子装置的高功率密度、高可靠性和高性价比提出了更高要求，电源正朝着高频化方向发展。高速的数字控制芯片功能也日趋强大，且电源的数字化已成为发展趋势。数字控制为电力电子装置的设计带来了新的研究思路[1-2]。

在电力电子功率变换技术中，驱动电路作为功率

电路和控制电路的连接枢纽，对其展开研究具有重要意义。在变换器中，根据电路拓扑的不同，功率开关器件的驱动方式主要有直接驱动和隔离驱动两种方法。在许多应用场合下，尤其在大功率的变换器中，一般都需要实现功率电路与控制电路之间的电气隔离，为此需要隔离驱动[3-4]。

隔离驱动又分为电磁隔离与光电隔离两种方式。其中，光电隔离因具有体积小，结构简单等优点而被广泛使用，但它存在共模抑制能力差，传输速度慢和成本较高等缺点，故不利于变换器的高功率密度和高性价比实现。电磁隔离驱动是使用脉冲变压器作为隔离元件，它具有响应速度快，原副边绝缘强度高，共模干扰抑制能力强和成本低等优点，通常被应用在高功率密度的开关电源中。但由于脉冲变压器的磁饱和特性，传统的电磁隔离驱动方式通常被限制应用在占空比小

于0.5的场合，而对于逆变器和整流而言，因控制器生成的脉冲控制信号在一个低频周期内连续变化，易导致脉冲变压器饱和[5-6]，故为了解决这一问题通常在电磁隔离驱动电路中加入高频调制电路[7-9]，但这会引入高频噪声干扰并增加硬件成本，使得驱动电路复杂化。

本文针对这种情况，结合数字控制技术提出了一种新颖的电磁隔离式驱动方法，能实现占空比在0～1.0的范围内调节，且能在一个低频周期内连续变化。

1 电磁隔离驱动电路的原理

1.1 驱动电路的硬件构成

采用数字电路实现指令运算等功能，可以避免因环境温度变化及元器件老化带来的电路参数漂移影响，提高系统的稳定性[10]，因此采用数字控制芯片作为本方案的主控芯片。如图1所示，PWM1A与PWM2A是来自数字控制芯片的控制脉冲信号；Q1A、Q2A为P沟道MOS管；Q1B、Q2B为N沟道MOS管；P沟道MOS管和N沟道MOS管两两组合成图腾柱，实现输入信号的增强，当P沟道MOS管导通时，送入变压器的脉冲信号幅值不会减小很多。C1为驱动电容；R3为C1的放电电阻；T1为脉冲隔离变压器；U1为“或”逻辑门； U2为驱动芯片；V3为2.7 V稳压管，C4可以有效滤除U2OUT中的干扰信号，降低其波形中的毛刺。

1.2 驱动电路的工作原理

目标脉冲控制信号在数字控制芯片里被分成两个相等脉宽的控制信号PWM1A和PWM2A，如图2所示。设目标脉冲控制信号的占空比为D(由数字控制芯片中的算法生成)，开关周期为Ts，则PWM1A和PWM2A在每个开关周期中所在的时间区段分别为0～DTs/2与DTs/2～DTs；PWM1A和PWM2A都经过如图1中图腾柱反相并增强电流驱动能力后形成PWM1和PWM2，PWM1和PWM2再分别作用于脉冲变压器原边的两个输入端子。从图1可见PWM1和PWM2对脉冲变压器原边来说是共模输入，故图2中的PWM1和PWM2信号中只有电平相异的部分才对变压器原边绕组T1_1励磁，易知励磁电流的方向在一个开关周期内正反交替，且正、反向励磁时间与PWM1A和PWM2A的脉冲宽度时间相同，故副边绕组产生的脉冲信号PWM1S和PWM2S宽度与相应的PWM2A和PWM1A相同，如图2所示。显然，PWM1和PWM2的电压幅值相等，且脉冲宽度也相等，故脉冲变压器原边实现了伏秒平衡，脉冲变压器不会饱和。

图2 主要波形

根据上述的分析可知，PWM1A和PWM2A是将一个开关周期内的目标脉冲控制信号一分为二得到，故即使脉冲控制信号的脉宽连续变化，采用图1的驱动方法也能确保脉冲变压器不饱和。可见，图1中的电路可作为SPWM调制或SVPWM调制所生成脉冲控制信号的驱动电路，实现0～1.0的占空比，即占空比不受传统电磁隔离驱动中最大为0.5或占空比不能连续大范围变化的限制。

在隔离变压器T1与“或”逻辑门U1之间，R5、D1、R8与副边绕组T1_2构成“或”门输入信号ORIN1为高电平时的信号通道；而R6、D3、R9与副边绕组T1_3构成“或”门输入信号ORIN2为高电平时的信号通道。当“或”门输入信号为高电平时，R5与R6分别为二极管D1和D3限流。在图1中， D2、R4与副边绕组T1_2构成“或”门输入信号ORIN1为低电平时的信号通道；而D4、R7与副边绕组T1_3构成“或”门输入信号ORIN2为低电平时的信号通道。由图1可知，二极管D1和D3可以防止当 “或”门输入信号为低电平时的大电流倒灌；D2和D4的导通分别对电阻R8和R9起旁路作用，可确保将相应的低电平稳定可靠地送往后级的“或”门电路，可见这里的D2和D4还起着低电平钳位作用，防止“或”逻辑门的输入端出现较高负压而损坏。电容C2、C3起滤波作用；电阻R8、R9用于吸收电容C2、C3上的电荷；电阻R4和R7分别为二极管D2和D4限流。

如图2所示，ORIN1和ORIN2信号经过“或”逻辑门U1，将被等分的脉冲控制信号相加得到信号U2OUT，由图2可见U2OUT信号的脉冲宽度与数字控制芯片中的目标脉冲控制信号PWMD的宽度相等。U2OUT经过驱动芯片U2，产生开关管的驱动信号vdr。图1中的V3为稳压管，由于电容C7在信号U2OUT为高电平时得以充电(被钳位在V3的稳压值)，故U2OUT为低电平时，V3的稳压值会为开关管提供负压关断，这有助于开关管的可靠和快速关断。

图2中，PWMD是目标脉冲控制信号，EPWM1、EPWM2是数字控制芯片中的EPWM模块输出信号，PWM1A、PWM2A是数字控制芯片的输出信号，PWM1、PWM2是脉冲变压器原边的输入信号，PWM1S、PWM2S是脉冲变压器副边的输出信号，ORIN1、ORIN2是“或”逻辑门的输入信号，U2OUT是“或”逻辑门的输出信号，vdr是送到开关管的驱动信号，PWM_PRD是EPWM模块的周期寄存器计数的峰值，D是目标脉冲控制信号的占空比。

2 脉冲控制信号的数字配置

为了获得图1中的PWM1A和PWM2A，需要对数字控制芯片中的PWM模块进行配置。本文采用TI公司的DSP芯片TMS320F28035实现控制。

PWM1A和PWM2A由TMS320F28035的EPWM1和EPWM2两个模块产生。两个EPWM模块时基相同，载波模式均配置成增计数模式，故这两个EPWM模块的周期寄存器计数的峰值等于开关周期值PWM_ PRD。PWM1A由EPWM1中的计数器值与本模块中的比较寄存器A比较得到；PWM2A由EPWM2中的计数器与本模块中的比较寄存器A和比较寄存器B分别比较得到相应的上下沿。EPWM1模块的比较寄存器A赋值为D/2·PWM_PRD。EPWM2模块的比较寄存器A赋值为D/2·PWM_PRD，比较寄存器B赋值为D·PWM_PRD。如图2所示，当EPWM1模块的计数器值小于其比较寄存器A中的值时，该EPWM1模块输出高电平，即PWM1A为高电平。当EPWM1模块的计数值大于其比较寄存器A中的值时，该EPWM1模块输出低电平，即PWM1A为低电平。在图2中当EPWM2模块的计数值大于其比较寄存器A中的值，且小于比较寄存器B中的值时，该EPWM2模块输出高电平，即PWM2A为高电平。当EPWM2模块的计数值小于其比较寄存器A中的值或者大于比较寄存器B中的值时，该EPWM2模块输出低电平，即PWM2A为低电平。由上面的配置即可实现目标脉冲控制信号PWMD的均分，且得到相应的PWM1A和PWM2A[11]。

3 实验结果

将该驱动电路应用在电动汽车充电机的前级VIENNA整流器中，性能指标如表1所示。

表1 VIENNA整流器的主要性能指标

VIENNA整流器功率电路，如图3所示。整流器中的两个开关管采用同一驱动信号实现控制，故对图3所示的电路需三组如图1所示的驱动电路。选择功率MOS管是为了提高可靠性，需要注意元器件工作电压和最高允许电压的差值越大, 其可靠性越大[12]。图1中“或”门采用NXP公司的74HC1G32芯片；驱动芯片采用MIC-ROCHIP公司的TC4424A芯片；电阻R1=R2= 2 kΩ，R3= 51 Ω，R5= R6= 10 Ω，R4=R7=R8=R9= 1 kΩ，R10= 200 Ω，R11=R13= 5.1 kΩ，R12= 5 Ω；电容C1= 1 μF，C2=C3= 100 pF。

图3 VIENNA整流器主电路

系统采用双闭环控制并采用正弦脉冲宽度调制(SPWM调制)。图4给出了“或”门输出信号U2OUT和开关管驱动信号Vdr波形。满载时的稳态波形如图5所示，通道1为B相输入电压波形，通道2和通道4分别为B相电流波形和C相电流波形，通道3为直流输出电压Vdc的波形。由图5可以看出，输入电流波形可以很好地跟踪电网电压的相位，且输入电流畸变较小。实验结果表明：本文所研究的高频电磁隔离驱动方法，能为占空比连续变化的脉冲控制信号提供有效、可靠的驱动。

图4 “或”门输出及开关管驱动波形

图5 VIENNA稳态实验波形

4 结束语

实验表明本文所研究的一种高频电磁隔离驱动方法，能实现0～1.0的占空比调节，能实现变化脉冲控制信号的驱动，且具有快速性能。将这种驱动方法应用在三相三电平VIENNA整流器中，实现了高功率因数校正，有实际应用价值，可以推广应用于高频变换器，以实现变换器的高功率密度。

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孙 刚 男，1973年生，硕士，副教授。研究方向为电力电子与控制技术。

郑金燕 女，1992年生，本科。研究方向为双向变换器及控制技术。

方 宇 男，1972年生，博士，教授。研究方向为新能源发电电路及控制。

A Study on High-frequency Electromagnetic Isolated Driving Method

SUN Gang1，ZHENG Jinyan2，FANG Yu2

(1. Department of Science and Technology,Nanjing College of Information and Technology, Nanjing 210023, China) (2. Department of Automation, College of Information Engineering,Yangzhou University, Yangzhou 225100, China)

In view of the high frequency power electronic circuit application trend, a novel driving method implemented with high frequency electromagnetic isolation is proposed in this paper. And the hardware designing schematic diagram and the software configuration method are presented. Then the corresponding operating principle is analyzed in detail based on digital control chip and analog circuits. The proposed driving method can be applied to real-time varying pulse width of the control signal and the duty-cycle ratio of this control pulse can be regulated in the range of 0 to 1.0. This novel driving method can achieve not only the advantages of high insulation and high common-mode suppression, but also the merits of low cost and fast dynamic response speed, and it is suitable for the isolation and amplification of high frequency switching control pulse signal. Finally, the experimental results show that the proposed driving method in this paper is effective.

electromagnetic isolation; driving circuits; duty cycle ratio; digital control

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.12.018

国家自然科学基金资助项目(51377112)；江苏省“六大人才高峰”高层次人才选拔对象C类基金资助项目(2014-ZNDW-003)；江苏省自然科学基金项目资助项目(BK20151574)

孙刚 Email：sungang@njcit.cn

2016-09-18

2016-11-20

TN86

A

1004-7859(2016)12-0087-04