DCDC變換器地方案設(shè)計(jì)

實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文檔文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文檔一種模塊化高效DC-DC變換器的開發(fā)與研制設(shè)計(jì)方案一、設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)將220VDC升高到600VDC的DC-DC變換器。在電阻負(fù)載下，要求如下：輸入電壓錯(cuò)誤!未找到引用源。=220VDC，輸出電壓錯(cuò)誤!未找到引用源。=600VDC。輸出額定電流錯(cuò)誤!未找到引用源。=2.5A，最大輸出電流錯(cuò)誤!未找到引用源。=3A。當(dāng)輸入錯(cuò)誤!未找到引用源。在小范圍內(nèi)變化時(shí)，電壓調(diào)整率SV≤2%（在錯(cuò)誤!未找到引用源。=2.5A時(shí)）。當(dāng)錯(cuò)誤!未找到引用源。在小范圍你變化時(shí)，負(fù)載調(diào)整率SI≤5%（在錯(cuò)誤!未找到引用源。=220VDC時(shí)）。要求該變換器的在滿載時(shí)的效率η≥90%。輸出噪聲紋波電壓峰-峰值錯(cuò)誤!未找到引用源。≤1V（在錯(cuò)誤!未找到引用源。=220VDC，錯(cuò)誤!未找到引用源。=600VDC，錯(cuò)誤!未找到引用源。=2.5A條件下）。要求該變換器具有過流保護(hù)功能，動(dòng)作電流錯(cuò)誤!未找到引用源。設(shè)定在3A。設(shè)計(jì)相關(guān)均流電路，實(shí)現(xiàn)多個(gè)模塊之間的并聯(lián)輸出。二、設(shè)計(jì)方案分析1、DC-DC升壓變換器的整體設(shè)計(jì)方案圖1DC-DC變換器整體電路圖如圖1升壓式DC-DC變換器整體電路所示，該DC/DC電壓變換器由主電路、采樣電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路組成；開關(guān)電源的主電路單元、樣電路單元采、控制電路單元、驅(qū)動(dòng)電路單元組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，是相對(duì)輸出電壓的自動(dòng)調(diào)整。控制電路單元以SG3525為核心，精確控制驅(qū)動(dòng)電路，改變驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。2、DC-DC升壓變換器主電路的工作原理DC-DC功率變換器的種類很多。按照輸入/輸出電路是否隔離來分，可分為非隔離型和隔離型兩大類。非隔離型的DC-DC變換器又可分為降壓式、升壓式、極性反轉(zhuǎn)式等幾種；隔離型的DC-DC變換器又可分為單端正激式、單端反激式、雙端半橋、雙端全橋等幾種。下面主要討論非隔離型升壓式DC-DC變換器的工作原理。圖2（a）DC-DC變換器主電路圖2（b）DC-DC變換器主電路圖2（a）是升壓式DC-DC變換器的主電路，它主要由開關(guān)變換電路、高頻變壓電路、整流電路、輸出濾波電路四大部分組成；圖1（b）是用matlab模擬出的升壓式DC-DC變換器的主電路圖。其中開關(guān)變換電路主要由絕緣柵雙極型晶體管IGBT、儲(chǔ)能電容C和RC放電電路組成；高頻變壓器電路由一個(gè)工作頻率為20KHz的升壓變壓器和一個(gè)隔直電容組成；整流電路部分采用橋式整流的設(shè)計(jì)方案，由四個(gè)快速恢復(fù)二極管構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)將逆變產(chǎn)生的紋波電流變換為直流方波電流；輸出濾波電路采用LC濾波電路的設(shè)計(jì)方案。電路的工作原理是：直流電壓錯(cuò)誤!未找到引用源。經(jīng)過Q1～Q4組成的全橋開關(guān)變換電路，在高頻變壓器初級(jí)得到高頻交流方波電壓，經(jīng)變壓器降壓，再全波整流變換成直流方波，最后通過電感L、電容C組成的濾波器，在R上得到平直的直流電壓。全橋直流變換器由全橋逆變器、高頻變壓器和輸出整流、濾波電路組成，也屬于直流-交流-直流變換器。當(dāng)控制信號(hào)錯(cuò)誤!未找到引用源。為高電平時(shí)，開關(guān)管Q1/Q4導(dǎo)通，開關(guān)管Q2/Q3截止；當(dāng)控制信號(hào)錯(cuò)誤!未找到引用源。為低電平時(shí)，開關(guān)管Q1/Q4截止，開關(guān)管Q2/Q3導(dǎo)通一正一負(fù)，相間交替，實(shí)現(xiàn)了將直流電流逆變?yōu)殇忼X紋波的功能。3、DC-DC變換器穩(wěn)壓原理通過輸出電壓的關(guān)系式可以看出，在輸入電壓或負(fù)載變化，要保證輸出電壓保持穩(wěn)定時(shí)，可以采用兩種方案。第一可以維持開關(guān)管的截止時(shí)間TOFF不變，通過改變脈沖的頻率f來維持輸出電壓錯(cuò)誤!未找到引用源。的穩(wěn)定，這便是脈沖頻率調(diào)制（PFM）控制方式DC-DC變換器；第二可以保持脈沖的周期T不變，通過改變開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間TON，即脈沖的占空比q，以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，這就是脈寬調(diào)制（PWM）控制方式DC-DC變換器。由于目前已經(jīng)有各種型號(hào)的集成PWM控制器，所以DC-DC變換器普遍采用PWM控制方式。圖2DC-DC穩(wěn)壓電路的組成圖3是DC-DC升壓穩(wěn)壓變換器的原理圖，它主要有采樣電路、控制電路（比較放大、誤差放大）、驅(qū)動(dòng)電路組成。其穩(wěn)壓原理是：假如輸入電壓錯(cuò)誤!未找到引用源。增大，則通過采樣電阻將輸出電壓的變化（增大），采樣和基準(zhǔn)電壓相比較通過比較放大器輸出信號(hào)去控制控制電路輸出脈沖占空比q的變化（減小），結(jié)果可使輸出電壓保持穩(wěn)定。反之，當(dāng)輸入電壓錯(cuò)誤!未找到引用源。減小時(shí)，PWM控制器輸出脈沖占空比q也自動(dòng)變化（增大），輸出電壓仍能穩(wěn)定。三、主要單元電路設(shè)計(jì)1、DC-DC變換器主電路設(shè)計(jì)該升壓電路結(jié)構(gòu)選擇圖1所示的電路。該變換電路設(shè)計(jì)主要是確定關(guān)鍵元件：輸出濾波電容C、電感L、開關(guān)管IGBT和二極管D。輸入濾波電容錯(cuò)誤!輸入濾波電容錯(cuò)誤!未找到引用源。是電解電容，主要是濾除低頻波，平滑直流輸出電壓，減小其脈動(dòng)，通常電容錯(cuò)誤!未找到引用源。的電容值是從控制紋波的角度考慮的，但是直流220V的蓄電池輸入無法確定其紋波，我們現(xiàn)在假設(shè)其是經(jīng)過三相交流橋式整流得到的DC220V電壓。圖（3.1）MATLAB仿真圖圖（3.2）MATLAB仿真波形因?yàn)榻?jīng)過電容濾波之后，電壓會(huì)升高，所以把整流后的有效直流電壓設(shè)置為低于220V。本設(shè)計(jì)從能量的角度估算電容值，在電壓脈動(dòng)的過程中，電容不斷的充電和放電。濾波的電容的輸出即為后續(xù)電路的電源。在電壓變化過程中電容吸收的能量為：為了保證即使在最低輸入電壓時(shí)，也能保證額定的輸出功率，根據(jù)能量守恒定律，在半周期內(nèi)輸出的能量等于電容從谷點(diǎn)電壓充電到峰值電壓儲(chǔ)存的能量。最低輸入電壓：錯(cuò)誤!未找到引用源。峰值電壓：錯(cuò)誤!未找到引用源。谷點(diǎn)電壓：錯(cuò)誤!未找到引用源。效率：η（假設(shè)效率為90%）三相整流后的脈動(dòng)頻率為3f每個(gè)周期中輸入濾波電容提供的能量為： 1P 1 1.5103WT?P?0J11.1Jinin3f3500.9W每半個(gè)周期中輸入濾波電容提供的能量為：in2于是得W1CinU2U2 2 20 pkmin inmin則： W 11.1 C in 843.35uF0U2U222821972pkmininmin這樣計(jì)算出來看似很大，其實(shí)不然，從另一個(gè)方面說，220V蓄電池的輸出電壓也不可能是這樣脈動(dòng)的，所以這個(gè)電解電容的選取要使用經(jīng)驗(yàn)值。我們結(jié)合電路設(shè)計(jì)的參數(shù)要求和現(xiàn)在市場(chǎng)中生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的有極性電解電容型號(hào)，最終選擇使用兩個(gè)450V/470μF的電解電容并聯(lián)來濾除輸入電源中的低頻波。由于電解電容無法吸收加在其兩端的高頻分量，所以還要在輸入直流端并聯(lián)上無極性的陶瓷電容，0.3~0.5uF.陶瓷電容有體積小，容量大、耐熱性好、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。（2）輸出濾波儲(chǔ)能電感設(shè)計(jì)由上圖可知流過電感的電流波形圖如下圖所示當(dāng)負(fù)載電流減少，直到負(fù)載電流減小到1IIII0 min22 1此時(shí)電流波形圖如下：斜波電流的最低點(diǎn)正好降到零，在這個(gè)最低點(diǎn)處，電感電流為零，儲(chǔ)能為零。如果負(fù)載電流進(jìn)一步減小，電感將進(jìn)入不連續(xù)工作狀態(tài)，電壓和電流的波形，以及閉環(huán)傳遞函數(shù)將發(fā)生較大變化。 于是們?cè)谳敵龆思由弦粋€(gè)“死負(fù)載”，讓輸出端的電流始終保持I＞I 保證其使電 0 o(min)路在期望的負(fù)載電流范圍內(nèi)工作與連續(xù)模式。同時(shí)，電感的選擇應(yīng)保證直流輸出電流為最小規(guī)定電流時(shí)，電感電流也保持連續(xù)。通常最小規(guī)定電流約為額定負(fù)載電流的10%。由上圖可知，電感電流斜波為：dIII 2 1因?yàn)楫?dāng)直流電流等于電感電流斜波峰—峰值一半時(shí)，進(jìn)入不連續(xù)工作模式，則II I 0.1I2 1 0(min) 0 2對(duì)于電感：di udiuL→didt L所以UT(UU)TdILon10on L L其中T為產(chǎn)生一個(gè)脈沖電壓時(shí)開關(guān)管的開通時(shí)間on實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文檔文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文檔11U T 0.8T由圖可知，對(duì)于全橋變換器T，當(dāng)U最小時(shí)，使U最小時(shí)T不需要大于 on2 dc 1 on 2就可以輸出所需的U0而2T UU on 0 1T則UTT0on2U1于是 0.8T UTT0on(min)22U1(min) （假設(shè)U 1.25U） 1(min) 0帶入得 dIU1U0Ton1.25U0U0?0.28T2I L L 0(min)整理為0.05UT L 0I0(min)如果假定最小電流為額定電流的1/20則有UT60050106 L0 H12mH I 1.5103o600計(jì)算電感量為12mH，實(shí)際選擇20mH/5A的電感。電感自己繞制。設(shè)計(jì)電感參數(shù)：直流電流：16.67A,200紋波頻率：20KHz200紋波頻率：20KHz需設(shè)計(jì)電感量：L=20mH鐵芯材質(zhì)：硅鋼片疊片鐵芯形式：C型溫升：25度（3）輸出濾波電容設(shè)計(jì)輸出濾波電容錯(cuò)誤!未找到引用源。的選擇滿足一些特性，錯(cuò)誤!未找到引用源。并非理想電容，它可等效為寄生電阻錯(cuò)誤!未找到引用源。和電感錯(cuò)誤!未找到引用源。與其理想純電容錯(cuò)誤!未找到引用源。的串聯(lián)。錯(cuò)誤!未找到引用源。稱為等效串聯(lián)內(nèi)阻，錯(cuò)誤!未找到引用源。稱為等效串聯(lián)電感。一般的，如果考慮串聯(lián)扼流圈錯(cuò)誤!未找到引用源。的紋波電流幅值，我們總希望這個(gè)紋波電流的大部分分量流入輸出電容錯(cuò)誤!未找到引用源。，因此輸出電壓的紋波由輸出濾波電容錯(cuò)誤!未找到引用源。、等效串聯(lián)電阻錯(cuò)誤!未找到引用源。和等效串聯(lián)電感錯(cuò)誤!未找到引用源。決定。對(duì)于低頻（低于500KHz）紋波電流，錯(cuò)誤!未找到引用源。可以忽略，輸出紋波主要由錯(cuò)誤!未找到引用源。和錯(cuò)誤!未找到引用源。決定。錯(cuò)誤!未找到引用源。是大電解電容，因此在開關(guān)頻率處，由錯(cuò)誤!未找到引用源。產(chǎn)生的紋波電壓分量小于由錯(cuò)誤!未找到引用源。產(chǎn)生的紋波電壓分量。因此在中頻段，輸出紋波接近等于錯(cuò)誤!未找到引用源。的交流紋波電流乘以錯(cuò)誤!未找到引用源。。有兩個(gè)分別由錯(cuò)誤!未找到引用源。和錯(cuò)誤!未找到引用源。決定的紋波分量，由錯(cuò)誤!未找到引用源。決定的紋波分量與電感斜波峰—峰值（錯(cuò)誤!未找到引用源。-錯(cuò)誤!未找到引用源。）成正比，而由錯(cuò)誤!未找到引用源。決定的紋波分量與流過錯(cuò)誤!未找到引用源。電流的積分成正比。為了估算這些紋波分量并選擇電容，必須知道錯(cuò)誤!未找到引用源。的值，而電容廠家很少直接給出該值。但從一些廠家的產(chǎn)品目錄可以知道，對(duì)很大范圍內(nèi)不同電壓等級(jí)不同容值的常用鋁電解電容，其錯(cuò)誤!未找到引用源。的值近似為50~80106F。開關(guān)管的選擇開關(guān)管VT在電路中承受的最大電壓是U0，考慮到輸入電壓波動(dòng)和電感的反峰尖刺電壓的影響，所以開關(guān)管的最大電壓應(yīng)滿足＞1.1×1.2U0。實(shí)際在選定開關(guān)管時(shí)，管子的最大允許工作電壓值還應(yīng)留有充分的余地，一般選擇（2~3）1.1×1.2U0。開關(guān)管的最大允許工作電流，一般選擇（2~3）II。開關(guān)管的選擇，主要考慮開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路要簡(jiǎn)單、開關(guān)頻率要高、導(dǎo)通電阻要小等。本設(shè)計(jì)選擇N溝道功率場(chǎng)效應(yīng)管IRF3205，該器件的VDSM=55V ，導(dǎo)通電阻僅為8mΩ，IDM=110A，完全滿足設(shè)計(jì)要求。續(xù)流二極管的選擇在電路中二極管最大反向電壓為U0，流過的電流是輸入電流II，所以在選擇二極管時(shí)，管子的額定電壓和額定電流都要留有充分大的余地。另外選擇續(xù)流二極管時(shí)還要求導(dǎo)通電阻要小，開關(guān)頻率要高，一般要選用肖特基二極管和快恢復(fù)二極管。本設(shè)計(jì)選用MBR10100CT，其最大方向工作電壓為100V，最大正向工作電流為10A，完全滿足設(shè)計(jì)實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文檔文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文檔要求。2、DC-DC變換器控制電路設(shè)計(jì)DC-DC變換器控制電路選用集成PWM 控制器TL494構(gòu)成，調(diào)制脈沖的頻率選擇50kHz，選擇振蕩電容CT為1000pF，電阻RT為22kΩ即可滿足要求。脈沖采用單端輸出方式，將13腳接地，為了提高驅(qū)動(dòng)能力，從內(nèi)部三極管的集電極輸出，并將兩路并聯(lián)，即將8、11腳并聯(lián)接電源（即輸入電壓UI），9、10腳并聯(lián)，該端即為脈沖輸出端。為了保證輸出電壓U0穩(wěn)定，要引入負(fù)反饋，即通過取樣電阻R1、R2、RP1將輸出電壓反饋到TL494內(nèi)部誤差放大器的同相輸入端（1腳），誤差放大器的反相輸入端（2腳）接一參考電壓，圖中由電阻R3、R4、RP2組成；當(dāng)輸出電壓增高時(shí)，反饋信號(hào)和參考電壓比較后，誤差放大器的輸出增大，結(jié)果使輸出脈沖的寬度變窄，開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間變短，輸出電壓將保持穩(wěn)定。圖中連接在誤差放大器2腳和3腳之間的電阻和電容是構(gòu)成PID調(diào)節(jié)器，目的是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。在給定參數(shù)下，調(diào)節(jié)RP2使15腳電位等于2.2V，然后調(diào)節(jié)RP1即可調(diào)節(jié)輸出電壓值。過流保護(hù)電路可以利用TL494