DCDC變換器的設(shè)計(jì)方案

DC-DC變換器的設(shè)計(jì)方案一種模塊化高效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)一種將220VDC升高到600VDC的DC-DC變換器。在電阻負(fù)載下，規(guī)定以下：1、輸入電壓Ui=220VDC，輸出電壓Uo=600V2、輸出額定電流Io=2.5A，最大輸出電流Iomax3、當(dāng)輸入U(xiǎn)i在小范疇內(nèi)變化時(shí)，電壓調(diào)節(jié)率SV≤2%（在Io=4、當(dāng)Io在小范疇你變化時(shí)，負(fù)載調(diào)節(jié)率SI≤5%（在Ui=220V5、規(guī)定該變換器的在滿載時(shí)的效率η≥90%。6、輸出噪聲紋波電壓峰-峰值Uopp≤1V（在Ui=220VDC，Uo=600VDC，I7、規(guī)定該變換器含有過流保護(hù)功效，動(dòng)作電流Io（th8、設(shè)計(jì)有關(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)電路構(gòu)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)電路單元構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，是相對(duì)輸出電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)?？刂齐娐穯卧許G3525為核心，精確控制驅(qū)動(dòng)電路，變化驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，達(dá)成穩(wěn)壓的目的。2、DC-DC升壓變換器主電路的工作原理DC-DC功率變換器的種類諸多。按照輸入/輸出電路與否隔離來分，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)式等幾個(gè)；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、雙端全橋等幾個(gè)。下面重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，它重要由開關(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構(gòu)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)變換電路重要由絕緣柵雙極型晶體管IGBT、儲(chǔ)能電容C和RC放電電路構(gòu)成；高頻變壓器電路由一種工作頻率為20KHz的升壓變壓器和一種隔直電容構(gòu)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Vin通過Q1～Q4構(gòu)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構(gòu)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、濾波電路構(gòu)成，也屬于直流-交流-當(dāng)控制信號(hào)Vq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)Vq為低電平時(shí)，開關(guān)管Q1/Q4截止，3、DC-DC變換器穩(wěn)壓原理通過輸出電壓的關(guān)系式能夠看出，在輸入電壓或負(fù)載變化，要確保輸出電壓保持穩(wěn)定時(shí)，能夠采用兩種方案。第一能夠維持開關(guān)管的截止時(shí)間TOFF不變，通過變化脈沖的頻率f來維持輸出電壓Uo的穩(wěn)定，這便是脈沖頻率調(diào)制（PFM）控制方式DC-DC變換器；第二能夠保持脈沖的周期T不變，通過變化開關(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。由于現(xiàn)在已有多個(gè)型號(hào)的集成PWM控制器，因此DC-DC變換器普遍采用PWM控制方式。圖2DC-DC穩(wěn)壓電路的構(gòu)成圖3是DC-DC升壓穩(wěn)壓變換器的原理圖，它重要有采樣電路、控制電路（比較放大、誤差放大）、驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。其穩(wěn)壓原理是：如果輸入電壓Ui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?。晒墒馆敵鲭妷罕３址€(wěn)定。反之，當(dāng)輸入電壓U三、重要單元電路設(shè)計(jì)1、DC-DC變換器主電路設(shè)計(jì)該升壓電路構(gòu)造選擇圖1所示的電路。該變換電路設(shè)計(jì)重要是擬定核心元件：輸出濾波電容C、電感L、開關(guān)管IGBT和二極管D。（1）輸入濾波電容的選擇輸入濾波電容Co是電解電容，重要是濾除低頻波，平滑直流輸出電壓，減小其脈動(dòng)，普通電容Co的電容值是從控制紋波的角度考慮的，但是直流220V的蓄電池輸入無法擬定其紋波，我們現(xiàn)在假設(shè)其是通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仿真波形由于通過電容濾波之后，電壓會(huì)升高，因此把整流后的有效直流電壓設(shè)立為低于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，電容不停的充電和放電。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取的能量為：W為了確保即使在最低輸入電壓時(shí)，也能確保額定的輸出功率，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：U峰值電壓：U谷點(diǎn)電壓：U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：每半個(gè)周期中輸入濾波電容提供的能量為：于是得則：這樣計(jì)算出來看似很大，其實(shí)否則，從另一種方面說，220V蓄電池的輸出電壓也不可能是這樣脈動(dòng)的，因此這個(gè)電解電容的選用要使用經(jīng)驗(yàn)值。我們結(jié)合電路設(shè)計(jì)的參數(shù)規(guī)定和現(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)，最后選擇使用兩個(gè)450V/470μF的電解電容并聯(lián)來濾除輸入電源中的低頻波。（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以下圖所示當(dāng)負(fù)載電流減少，直到負(fù)載電流減小到此時(shí)電流波形圖以下：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)入不持續(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)谳敵龆思由弦环N“死負(fù)載”，讓輸出端的電流始終保持＞確保其使電路在盼望的負(fù)載電流范疇內(nèi)工作與持續(xù)模式。同時(shí)，電感的選擇應(yīng)確保直流輸出電流為最小規(guī)定電流時(shí)，電感電流也保持持續(xù)。普通最小規(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：由于當(dāng)直流電流等于電感電流斜波峰—峰值二分之一時(shí)，進(jìn)入不持續(xù)工作模式，則對(duì)于電感：→因此其中為產(chǎn)生一種脈沖電壓時(shí)開關(guān)管的開通時(shí)間由圖可知，對(duì)于全橋變換器，當(dāng)最小時(shí)，使最小時(shí)不需要不不大于就能夠輸出所需的而則于是（假設(shè)）帶入得整頓為如果假定最小電流為額定電流的1/20則有計(jì)算電感量為12mH，實(shí)際選擇20mH/5A設(shè)計(jì)電感參數(shù)：直流電流：16.67A,交流電流：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C0的選擇滿足某些特性，C0并非抱負(fù)電容，它可等效為寄生電阻R0和電感L0R0稱為等效串聯(lián)內(nèi)阻，L普通的，如果考慮串聯(lián)扼流圈Lf的紋波電流幅值，我們總但愿這個(gè)紋波電流的大部分分量流入輸出電容C0，因此輸出電壓的紋波由輸出濾波電容C0、等效串聯(lián)電阻R0和等效串聯(lián)電感L0決定。對(duì)于低頻（低于500KHz）紋波電流，L0能夠無視，輸出紋波重要由R0和C0決定。C0有兩個(gè)分別由R0和C0決定的紋波分量，由R0決定的紋波分量與電感斜波峰—峰值（I2-I1為了估算這些紋波分量并選擇電容，必須懂得R0的值，而電容廠家極少直接給出該值。但從某些廠家的產(chǎn)品目錄能夠懂得，對(duì)很大范疇內(nèi)不同電壓等級(jí)不同容值的慣用鋁電解電容，其R0C（3）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，因此開關(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)留有充足的余地，普通選擇（2~3）1.1×1.2U0。開關(guān)管的最大允許工作電流，普通選擇（2~3）II。開關(guān)管的選擇，重要考慮開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路要簡(jiǎn)樸、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)規(guī)定。（4）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，因此在選擇二極管時(shí)，管子的額定電壓和額定電流都要留有充足大的余地。另外選擇續(xù)流二極管時(shí)還規(guī)定導(dǎo)通電阻要小，開關(guān)頻率要高，普通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)規(guī)定。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即可滿足規(guī)定。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。為了確保輸出電壓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構(gòu)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，成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)電路能夠運(yùn)用TL494內(nèi)部另一誤差放大器實(shí)現(xiàn)。圖中電流取樣電阻選擇1Ω/2W的精密電阻，兩端并聯(lián)一高頻濾波電容，誤差放大器的反相端（15腳）接電壓等于2.2V的基準(zhǔn)電壓，電流取樣電阻上的電壓輸入誤差放大器的同相輸入端（16腳），當(dāng)電流不不大于1.2A時(shí)，16腳電壓不不大于15腳電壓，誤差放大器輸出增大，TL494輸出脈沖寬度變窄，輸出電壓減小，則起到限流作用。圖4DC-DC升壓穩(wěn)壓電路四、系統(tǒng)安裝與調(diào)試1、首先將由TL494構(gòu)成的控制電路按圖4在面包板上插接或在實(shí)驗(yàn)板上焊接起來（此時(shí)主回路先不接入）。2、檢查無誤后，如果+12V電源。1腳和16腳通過電阻接地，用示波器觀察9、10腳連接點(diǎn)的輸出脈沖的波形，由于反饋信號(hào)沒有引入，此時(shí)輸出脈沖信號(hào)的脈寬最大；測(cè)量脈沖信號(hào)的頻率與否為