變換器的設(shè)計(jì)方案

1、 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：1、 輸入電壓=220VDC，輸出電壓=600VDC。2、 輸出額定電流=2.5A，最大輸出電流=3A。3、 當(dāng)輸入在小范圍內(nèi)變化時(shí)，電壓調(diào)整率SV2%（在=2.5A時(shí)）。4、 當(dāng)在小范圍你變化時(shí)，負(fù)載調(diào)整率SI5%（在=220VDC時(shí)）。5、 要求該變換器的在滿載時(shí)的效率90%。6、 輸出噪聲紋波電壓峰-峰值1V （在=220VDC，=600VDC，=2.5A條件下）。7、 要求該變換器具有過流保護(hù)功能 ，動(dòng)作電流設(shè)定在3A。8、 設(shè)計(jì)相

2、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1 DC-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)，是相對輸出電壓的自動(dòng)調(diào)整?？刂齐娐穯卧許G3525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，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

3、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

4、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 經(jīng)過Q1Q4 組成的全橋開關(guān)變換電路，在高頻變壓器初級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

5、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)有各種型號的集成PWM控制器，所以DC-DC變換器普遍采用PWM控制方式。 圖2 DC-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

6、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。（1）輸入濾波電容的選擇輸入濾波電容是電解電容，主要是濾除低頻波，平滑直流輸出電壓，減小其脈動(dòng)，

7、通常電容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存的能量。最低輸入電壓：峰值電壓：谷點(diǎn)電壓：

8、效率：（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)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)在市場中生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的有極性電解電容型號，最終選擇使用兩個(gè)450V/470F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，0.30.5uF.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）輸出濾波儲能電感設(shè)計(jì)由上

9、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。于是們在輸出端加上一個(gè)“死負(fù)載”，讓輸出端的電流始終保持保證其使電路在期望的負(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：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，則對于電感： 所以其中為產(chǎn)生一

10、個(gè)脈沖電壓時(shí)開關(guān)管的開通時(shí)間由圖可知，對于全橋變換器，當(dāng)最小時(shí)，使最小時(shí)不需要大于就可以輸出所需的而則于是（假設(shè)）帶入得整理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的電感。電感自己繞制。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)輸出濾波電容的選擇滿足一些特性，并非理想電容，它可等效為寄生電阻和電感與其理想純電容的串聯(lián)。稱為等效串聯(lián)內(nèi)阻，稱為等效串聯(lián)電感。一般的，如果考慮串聯(lián)扼流圈的紋波電流幅值，我們總希望這個(gè)紋波電流的大部分分量流

11、入輸出電容，因此輸出電壓的紋波由輸出濾波電容、等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感決定。對于低頻（低于500KHz）紋波電流，可以忽略，輸出紋波主要由和決定。是大電解電容，因此在開關(guān)頻率處，由產(chǎn)生的紋波電壓分量小于由產(chǎn)生的紋波電壓分量。因此在中頻段，輸出紋波接近等于的交流紋波電流乘以。有兩個(gè)分別由和決定的紋波分量，由決定的紋波分量與電感斜波峰峰值（-）成正比，而由決定的紋波分量與流過電流的積分成正比。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，對很大范圍內(nèi)不同電壓等級不同容值的常用鋁電解電容，其的值近似為。（3） 開關(guān)管的選擇開關(guān)管VT在電路

12、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1.11.2U0。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（23）1.11.2U0。開關(guān)管的最大允許工作電流，一般選擇（23）II。開關(guān)管的選擇，主要考慮開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路要簡單、開關(guān)頻率要高、導(dǎo)通電阻要小等。本設(shè)計(jì)選擇N溝道功率場效應(yīng)管IRF3205，該器件的VDSM=55V，導(dǎo)通電阻僅為8m，IDM=110A，完全滿足設(shè)計(jì)要求。（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，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

13、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)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22k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

14、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內(nèi)部另一誤差放大器實(shí)現(xiàn)。圖中電流取樣電阻選擇1/2W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)電流大于1.2A時(shí)，16腳電壓大于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4 DC-DC升壓穩(wěn)壓電路四、系統(tǒng)安裝與調(diào)試1、首先將由TL494組成的控制電路按圖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，假如+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，由于反饋信號沒有引入，此時(shí)輸出脈沖信號的脈寬最大；測量脈沖信號