摘要

牽引變流器是地鐵列車的核心裝備，其技術復雜、可靠性要求高。地鐵列車牽引變流器主要采用IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)變流技術。為牽引變流器設計一款性能可靠、穩定的IGBT驅動控制電源是保證牽引變流器可靠、穩定運行的一個重要環節。

鐵道電源專家中電華星根據客戶牽引變流器IGBT驅動控制電源的要求，研制了基于NCP1031芯片的反激型電源模塊作為牽引變流器的驅動控制電源。NCP1031芯片是超小型單片式高壓開關穩壓器件，其性能穩定、可靠，是一款使用廣泛的電源模塊控制芯片。此項目目前已經量產。

1、NCP1031芯片的介紹

NCP1031芯片具有內部啟動穩壓器，直接采用輸入電壓進行供電，還集成門驅動和200V電源開關，從而有效地降低了電磁干擾(EMI)。其中的電源開關電路采用SENSEFETTM技術來監控漏電流(NCP1031芯片的漏電流限制閾值為0.5A)，用于提升能效。總的來說，NCP1031芯片內部結合了1個PWM(脈寬調制)控制器、1個開關管、1個高效高壓啟動電路、1個保護電路。NCP1031芯片采用SO-8(貼片8腳)封裝，其內部電路框圖如圖1所示。

NCP1031芯片內部具有電流限制帶自適應前沿消隱(LEB)電路，從而不需外部傳感元件；內部誤差放大器可做隔離或非隔離應用，高達1 MHz的可編程工作頻率減小了磁性元件的尺寸。NCP1031芯片高達1 MHz的工作頻率和外部時鐘同步，具有線路欠壓過壓鎖定功能；且內部具有逐個周期電流限制電路、超溫保護，內部有誤差放大器，可用在隔離型DC／DC二變換器的次級偏壓電源中。

NCP1031芯片方案減少了外部元件數，所以成本、裝配時間和電路板空間均大為降低，在滿足功能需要的同時達到了體積較小。

2、驅動電源的設計及工作原理

由于本驅動電源采用了反激型拓撲電路，故具有結構簡單、成本低、元器件少等優點。其主電路圖如圖2所示：電路輸入設計為DC 48 V，輸出為5路相互隔離的直流電源，其中3路輸出是DC +24 V，另2路輸出為DC-10 V和DC +15 V；輸入端使用由C11、L1和C12構成的濾波電路；由于變壓器漏感的存在，在變壓器上會造成電壓尖峰，在電路中可以用R11、C13以及D11構成的網絡來鉗位吸收(其中D11應選用超快恢復二極管)。輸出端采用肖特基二極管，以提高輸出效率。

圖3給出了NCP1031芯片的外圍電路圖。當NCP1031芯片(即U1)引腳6超過2.5V時，控制芯片開始啟動。由R12、R14和R15組成的電阻分壓網絡將芯片的欠壓和過壓電平分別設置在36V和64V。通過引腳8提供內部啟動偏置并驅動恒流源VCC給電容C17充電。一旦U1啟動，變壓器TC1(見圖2)的輔助線圈（引腳3、4）就通過二極管D12和電阻R13提供工作偏執。

TL431(見圖2的U3)作為誤差放大器與光耦PC817(U2)一起形成了電壓檢測和反饋電路。通過將U1的電壓檢測引腳3接地，從而使U1中的內部誤差放大器失效，而引腳4上的放大器輸出補償節點用來通過光耦的光阻控制脈沖寬度。檢測到的輸出電壓被R53和R56(見圖2)分壓成TL43l的2.5V參考電平，并由C9和R15設置適合DCM(直流模塊)工作的閉環帶寬和相位余量。

3、關鍵電路參數的設計

3．1 變壓器原邊電感的設計

1)變壓器原邊繞組的峰值電流Ipk

式中：

Po——輸出的總功率；

η——變壓器的轉換效率；

VminDC——輸入的較小直流電壓；

Dmin——較小占空比。

2)變壓器原邊的電感量Lp

3．2 變壓器原副邊匝數設計

1)變壓器的原邊匝數Np

式中：

Ae——磁心的有效截面積；

ΔB——磁心工作磁感應強度變化值。

2)變壓器的副邊匝數Ns

式中：

Vo——變壓器二次側輸出電壓；

VD——變壓器二次側整流二極管導通的正壓降。

3．3 RCD(電阻、電容、二極管)吸收電路的設計

1)電阻R應使電容C在較小的導通時間ton內放電至所充電荷的5％ 以下，并應滿足3RC≤ton，其中：尺單位為Ω，C單位為F，ton單位為S。

2)在電容的每個充放電周期內消耗在電阻尺上的能量為：

式中：

VDC——輸入的直流電壓，一般取較大值；

fk——開關頻率。

3)C的確定

式中：

Ip—開關管的峰值電流；

tf——集電極電流從初始值下降到零的時間。

4、IGBT驅動電源仿真及試驗研究

4.1仿真波形

本文根據NCP1031芯片的內部電路框圖，在仿真軟件Multisim里面搭建了試驗模型，得到了如圖4所示IGBT驅動電源的電壓仿真波形。圖4中CH1是輸出電壓的波形，CH2是變壓器原邊的電壓波形。

4．2 實際試驗結果與波形

實際試驗的具體參數如下：輸入電壓為DC 4V(波動范圍36~64 V)，輸出電壓為15 V。

在輸入電壓為DC 48 V時，額定負載下的輸出電壓波形見圖5，輸出電壓紋波波形見圖6。從波形上看，穩壓精度比較高，但是輸出電壓的紋波比較大，這主要是由于反激型電路和輸出濾波電容所決定的。

5、結語

中電華星基于NCP1031芯片設計的地鐵列車牽引變流器IGBT驅動電源具有外圍電路簡單、安裝與調試方便、輸入與輸出隔離、反饋回路響應快、穩壓控制精度高、抗干擾強等優點，在實際實用過程中工作穩定、性能可靠、很好的滿足了實際使用需求。更多電源解決方案請咨詢中電華星。