基于NCP1031芯片的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设备，技术复杂，可靠性要求高。 The subway train traction converter mainly uses IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) converter technology.为牵引变流器设计可靠、稳定的IGBT驱动控制电源，是保证牵引变流器可靠、稳定运行的重要一步。
铁路电源专家中电华星根据客户对牵引变流器IGBT驱动控制电源的需求，开发了基于NCP1031芯片的反激式电源模块作为牵引变流器的驱动控制电源。 NCP1031芯片是一款超小型单片高压开关稳压器件，性能稳定可靠。是一种应用广泛的电源模块控制芯片。目前该项目已进入量产阶段。
1、NCP1031芯片的介绍NCP1031 芯片有一个内部启动稳压器，直接由输入电压供电。它还集成了栅极驱动器和200V电源开关，有效降低电磁干扰（EMI）。电源开关电路采用SENSEFETTM技术来监测漏电流（NCP1031芯片的漏电流限制阈值为0.5A），以提高能效。一般来说，NCP1031芯片内部集成了PWM（脉宽调制）控制器、开关管、高效高压启动电路、保护电路等。 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芯片具有内部电流限制和自适应前沿消隐（LEB）电路，无需外部传感元件；内部误差放大器可用于隔离或非隔离应用，高达1 MHz 的可编程工作频率减小了磁性元件的尺寸。 NCP1031芯片的工作频率高达1 MHz，并与外部时钟同步。具有线路欠压、过压闭锁功能；它还具有逐周期电流限制电路、过温保护和内部误差放大器。可用于隔离式DC/DC转换器的二次偏置电源。
NCP1031芯片解决方案减少了外部元件数量，因此成本、组装时间和电路板空间都大大减少，在满足功能需求的同时实现了更小的尺寸。
2、驱动电源的设计及工作原理由于该驱动电源采用反激式拓扑电路，因此具有结构简单、成本低、元件少的优点。主电路图如图2所示：电路输入设计为直流48V，输出为5个相互隔离的直流电源，其中3个输出为DC+24V，另外2个输出为DC-10V和DC+15V； the input terminal uses a filter circuit composed of C11, L1 and C12;由于变压器漏感的存在，会在变压器上引起电压尖峰。电路中可用R11、C13、D11组成的网络进行钳位和吸收（D11应采用超快恢复二极管）。 Schottky diodes are used at the output to improve output efficiency.
图3为NCP1031芯片的外围电路图。 When pin 6 of the NCP1031 chip (i.e. U1) exceeds 2.5V, the control chip starts. 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为36V和64V。 The internal start-up bias is provided through pin 8 and drives the constant current source VCC to charge the capacitor C17. Once U1 is started, the auxiliary coil (pins 3, 4) of transformer TC1 (see Figure 2) provides operating bias through diode D12 and resistor R13.
TL431（见图2中的U3）用作误差放大器，与光耦PC817（U2）一起构成电压检测和反馈电路。通过将U1 的电压检测引脚3 接地来禁用U1 中的内部误差放大器，引脚4 上的放大器输出补偿节点用于通过光耦合器的光敏电阻控制脉冲宽度。检测到的输出电压经R53和R56（见图2）分压为TL43l的2.5V参考电平，C9和R15设置适合DCM（直流模块）操作的闭环带宽和相位裕度。
3、关键电路参数的设计3.1 Design of primary side inductor of transformer
1）变压器初级绕组峰值电流Ipk
式中：
总功率输出采用Po——；
eta——变压器的转换效率；
VminDC——输入较小的直流电压；
Dmin—— 的占空比较小。
2) 变压器原边电感Lp
3.2 变压器原、副边匝数设计
1）变压器原边匝数Np
式中：
Ae——磁芯有效截面积；
B—— 磁芯工作磁感应强度变化值。
2）变压器次级匝数Ns
式中：
Vo—— 变压器副边输出电压；
VD——变压器副边整流二极管导通的正压降。
3.3 RCD（电阻、电容、二极管）吸收电路设计
1）电阻R应使电容器C在较小的导通时间ton内放电至所充电电荷的5%以下，并应满足3RCton，其中：尺的单位为，C的单位为F，ton的单位为S。
2）电容器每个充放电循环期间电阻尺上消耗的能量为：
式中：
VDC——输入的直流电压一般取较大值；
fk—— 开关频率。
3) C的测定
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 模拟波形
本文基于NCP1031芯片的内部电路框图，在仿真软件Multisim中搭建了测试模型，得到了如图4所示的IGBT驱动电源的电压仿真波形。图4中，CH1为输出电压波形，CH2为变压器原边电压波形。
4.2 实际测试结果及波形
实际测试的具体参数如下：输入电压为DC 4V（波动范围36~64 V），输出电压为15 V。
输入电压为直流48V时，额定负载下的输出电压波形如图5所示，输出电压纹波波形如图6所示。从波形来看，稳压精度比较高，但输出电压的纹波比较大，主要由反激电路和输出滤波电容决定。
5、结语华星公司基于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、安装调试方便、输入输出隔离、反馈环路响应快、稳压控制精度高、抗干扰性强等优点。在实际应用过程中，工作稳定，性能可靠，很好地满足了实际使用需求。更多电源解决方案请咨询中电华星。
