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地铁列车牵引变流器IGBT驱动电源设计
摘要
牵引变流器是地铁列车的核心装备，其技术复杂、可靠性要求高。地铁列车牵引变流器主要采用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)变流技术。为牵引变流器设计一款性能可靠、稳定的IGBT驱动控制电源是保证牵引变流器可靠、稳定运行的一个重要环节。
铁道电源专家中电华星根据客户牵引变流器IGBT驱动控制电源的要求，研制了基于NCP1031芯片的反激型电源模块作为牵引变流器的驱动控制电源。NCP1031芯片是超小型单片式高压开关稳压器件，其性能稳定、可靠，是一款使用广泛的电源模块控制芯片。此项目目前已经量产。
1、NCP1031芯片的介绍
NCP1031芯片具有内部启动稳压器，直接采用输入电压进行供电，还集成门驱动和200V电源开关，从而有效地降低了电磁干扰(EMI)。其中的电源开关电路采用SENSEFETTM技术来监控漏电流(NCP1031芯片的漏电流限制阈值为0.5A)，用于提升能效。总的来说，NCP1031芯片内部结合了1个PWM(脉宽调制)控制器、1个开关管、1个高效高压启动电路、1个保护电路。NCP1031芯片采用SO-8(贴片8脚)封装，其内部电路框图如图1所示。
NCP1031芯片内部具有电流限制带自适应前沿消隐(LEB)电路，从而不需外部传感元件；内部误差放大器可做隔离或非隔离应用，高达1 MHz的可编程工作频率减小了磁性元件的尺寸。NCP1031芯片高达1 MHz的工作频率和外部时钟同步，具有线路欠压过压锁定功能；且内部具有逐个周期电流限制电路、超温保护，内部有误差放大器，可用在隔离型DC／DC二变换器的次级偏压电源中。
NCP1031芯片方案减少了外部元件数，所以成本、装配时间和电路板空间均大为降低，在满足功能需要的同时达到了体积较小。
2、驱动电源的设计及工作原理
由于本驱动电源采用了反激型拓扑电路，故具有结构简单、成本低、元器件少等优点。其主电路图如图2所示：电路输入设计为DC 48 V，输出为5路相互隔离的直流电源，其中3路输出是DC +24 V，另2路输出为DC-10 V和DC +15 V；输入端使用由C11、L1和C12构成的滤波电路；由于变压器漏感的存在，在变压器上会造成电压尖峰，在电路中可以用R11、C13以及D11构成的网络来钳位吸收(其中D11应选用超快恢复二极管)。输出端采用肖特基二极管，以提高输出效率。
图3给出了NCP1031芯片的外围电路图。当NCP1031芯片(即U1)引脚6超过2.5V时，控制芯片开始启动。由R12、R14和R15组成的电阻分压网络将芯片的欠压和过压电平分别设置在36V和64V。通过引脚8提供内部启动偏置并驱动恒流源VCC给电容C17充电。一旦U1启动，变压器TC1(见图2)的辅助线圈（引脚3、4）就通过二极管D12和电阻R13提供工作偏执。
TL431(见图2的U3)作为误差放大器与光耦PC817(U2)一起形成了电压检测和反馈电路。通过将U1的电压检测引脚3接地，从而使U1中的内部误差放大器失效，而引脚4上的放大器输出补偿节点用来通过光耦的光阻控制脉冲宽度。检测到的输出电压被R53和R56(见图2)分压成TL43l的2.5V参考电平，并由C9和R15设置适合DCM(直流模块)工作的闭环带宽和相位余量。
3、关键电路参数的设计
3．1 变压器原边电感的设计
1)变压器原边绕组的峰值电流Ipk
式中：
Po——输出的总功率；
η——变压器的转换效率；
VminDC——输入的较小直流电压；
Dmin——较小占空比。
2)变压器原边的电感量Lp
3．2 变压器原副边匝数设计
1)变压器的原边匝数Np
式中：
Ae——磁心的有效截面积；
ΔB——磁心工作磁感应强度变化值。
2)变压器的副边匝数Ns
式中：
Vo——变压器二次侧输出电压；
VD——变压器二次侧整流二极管导通的正压降。
3．3 RCD(电阻、电容、二极管)吸收电路的设计
1)电阻R应使电容C在较小的导通时间ton内放电至所充电荷的5％ 以下，并应满足3RC≤ ton，其中：尺单位为Ω，C单位为F，ton单位为S。
2)在电容的每个充放电周期内消耗在电阻尺上的能量为：
式中：
VDC——输入的直流电压，一般取较大值；
fk——开关频率。
3)C的确定
式中：
Ip—开关管的峰值电流；
tf——集电极电流从初始值下降到零的时间。
4、IGBT驱动电源仿真及试验研究
4.1仿真波形
本文根据NCP1031芯片的内部电路框图，在仿真软件Multisim里面搭建了试验模型，得到了如图4所示IGBT驱动电源的电压仿真波形。图4中CH1是输出电压的波形，CH2是变压器原边的电压波形。
4．2 实际试验结果与波形
实际试验的具体参数如下：输入电压为DC 4V(波动范围36~64 V)，输出电压为15 V。
在输入电压为DC 48 V时，额定负载下的输出电压波形见图5，输出电压纹波波形见图6。从波形上看，稳压精度比较高，但是输出电压的纹波比较大，这主要是由于反激型电路和输出滤波电容所决定的。
5、结语
中电华星基于NCP1031芯片设计的地铁列车牵引变流器IGBT驱动电源具有外围电路简单、安装与调试方便、输入与输出隔离、反馈回路响应快、稳压控制精度高、抗干扰强等优点，在实际实用过程中工作稳定、性能可靠、很好的满足了实际使用需求。更多电源解决方案请咨询中电华星。
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