DC-DC變換器的設(shè)計方案解讀

1、一種模塊化高效DC-DC變換器的開發(fā)與研制設(shè)計方案一、設(shè)計任務(wù)：設(shè)計一個將220VDC升高到600VDC的DC-DC變換器。在電阻負載下,要求如下:1、輸入電壓 =220VDC，輸出電壓從:=600VDC。2、輸出額定電流h=2.5A，最大輸出電流L-c-=3A。3、 當輸入兒在小范圍內(nèi)變化時，電壓調(diào)整率SV 2% （在i|., =2.5A時）。4、 當L在小范圍你變化時，負載調(diào)整率SI 90%。6、 輸出噪聲紋波電壓峰 -峰值%產(chǎn)1V （在U-=220VDC，山=600VDC ,=2.5A條件下）。7、要求該變換器具有過流保護功能，動作電流設(shè)定在3A。8、設(shè)計相關(guān)均流電路，實現(xiàn)多個模塊之間的

2、并聯(lián)輸出。設(shè)計方案分析 1、DC-DC升壓變換器的整體設(shè)計方案主電路圖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)動電路單元組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，是相對輸出電壓的自動調(diào)整?？刂齐娐穯卧?以SG3525為核心，精確控制驅(qū)動電路，改變驅(qū)動電路的驅(qū)動信號，達到穩(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

3、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。主電路圖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工作頻率為20KHZ的升壓變壓器和一個隔直電容組成；整流電路部分采用橋式整流的設(shè)計

4、方案，由四個快速恢復二極管構(gòu)成，實現(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。當控制信號.為高電平時，開關(guān)管 Q1/Q4導通，開關(guān)管 Q2/Q3截止；當控制信號.為 低電平時，開關(guān)管 Q1/Q4截止，開關(guān)管 Q2/Q3導通一正一負，相間交替，實現(xiàn)了將直流電流逆變?yōu)?/p>

5、鋸齒紋波的功能。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， 在輸入電壓或負載變化， 要保證輸出電壓保持穩(wěn)定時， 可 以采用兩種方案。第一可以維持開關(guān)管的截止時間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)管的導通時間TON，即脈沖的占空比 q，以實現(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。；驅(qū):動7輔助電源:I1Vr11f1電路11|米桿j111L

6、電盛一吃做訊丈C!控制電路I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，它主要有采樣電路、控制電路（比較放大、誤差放大）、驅(qū)動電路組成。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?。Y(jié)果可使輸出電壓保持穩(wěn)定。反之，當輸入電壓減小時,PWM控制器輸出脈沖占空比 q也自動變化（增大），輸出電壓仍能穩(wěn)定。三、主要單元電路設(shè)計1、DC-DC變換器主電路設(shè)計該升壓電路結(jié)構(gòu)選擇圖 1所示的電路。該變換電路設(shè)計主要是確定關(guān)鍵元件: 電容C、電感L、開關(guān)管IGBT和二極

7、管D。（1）輸入濾波電容的選擇輸入濾 波電容輸入濾波電容一是電解電容，主要是濾除低頻波，平滑直流輸出電壓，減小其脈動，380V 交通常電容_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)過三輸出濾波1直流輸出1 DU-相交流橋式整流得到的 DC220V電壓。圖（3.1） MATLAB仿真圖圖（3.2） MATLAB仿真波形因為經(jīng)過電容濾波之后， 電壓會升高，所以把整流后的有效直流電壓設(shè)置為低于220V。本設(shè)計從能量的角度估算電容值， 在電壓脈動的過程中，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

8、量為：1Wc = -C（Ut2-U22）為了保證即使在最低輸入電壓時，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 電容從谷點電壓 充電到峰值電壓儲存的能量最低輸入電壓：兒工谷點電壓:彳沁效率：n （假設(shè)效率為90%）三相整流后的脈動頻率為3f每個周期中輸入濾波電容提供的能量為:Win訂譏13fF011.5 103一3漢500.9J =11.1J每半個周期中輸入濾波電容提供的能量為:Wn2于是得Win22pk min_u2 i in min則:CoWn11.1Upkmin -ULin 228? -197?= 843.35uF這樣計算出來看似很大，其實不然，從另一個方面說

9、，220V蓄電池的輸出電壓也不可能是這樣脈動的，所以這個電解電容的選取要使用經(jīng)驗值。我們結(jié)合電路設(shè)計的參數(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，終選擇使用兩個 450V/470卩F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、價格低等優(yōu)點。(2 )輸出濾波儲能電感設(shè)計- = 3v(bl由上圖可知流過電感的電流波形圖如下圖所示12當負載電流減少，直到負載電流減小到此時電流波形圖如下:12O- 111斜波電流的最低點正好降到零，在這個最低點處，電感電流

10、為零，儲能為零。如果負載電流進一步減小，電感將進入不連續(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。1 0(min)02C7dl嘰口 (Ui-U)TonLL于是們在輸出端加上一個“死負載”，讓輸出端的電流始終保持|0 I o(min)保證其使電路在期望的負載電流范圍內(nèi)工作與連續(xù)模式。同時，電感的選擇應(yīng)保證直流輸出電流為最小規(guī)定電流時，電感電流也保持連續(xù)。通常最小規(guī)定電流約為額定負載電流的10%。由上圖可知，電感電流斜波為：dl =丨2-丨1因為當直流電流等于電感電流斜波峰一峰值一半時，進入不連續(xù)工作模式，則0.1I對于電感:XL生dt所以其中T)n為產(chǎn)生一個脈沖電壓時開關(guān)管

11、的開通時間UiQ2.Q3an犒権彌動-QLQ4QI an基艱望動03,Q204,01on0.8T2就可以輸出所需的U0UoTTon 2U1Ton (min)0.8T2UoT2U 1(min)如果假定最小電流為額定電流的1/20則有(假設(shè) U i(min)= 1.25U)帶入得-21 0(min)U UT 1.25Uo-U。7 dl _ U1 -U 0 Ton 2_整理為,O.O5UoT L 二I O(min)600 50 101.5 103H =12mH600計算電感量為12mH，實際選擇20mH/5A的電感。電感自己繞制。 設(shè)計電感參數(shù)： 直流電流：16.67A,1交流電流：I I。=0.1

12、25A【f20紋波頻率：20KHZ需設(shè)計電感量：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)計輸出濾波電容-的選擇滿足一些特性，并非理想電容, 可等效為寄生電阻訊和電感與其理想純電容 的串聯(lián)。監(jiān)稱為等效串聯(lián)內(nèi)阻，丄于稱為等效串聯(lián)電感。一般的，如果考慮串聯(lián)扼流圈的紋波電流幅值，我們總希望這個紋波電流的大部分分量流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)電阻必門和等效串聯(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i陽和決定。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 飩,:產(chǎn)生的紋波電壓分量。因此在中頻

13、段，輸出紋波接近等于h的交流紋波電流乘以熱.。有兩個分別由險和.決定的紋波分量，由 險.決定的紋波分量與電感斜波峰一峰值（-?）成正比，而由 沖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，其慝的值近似為50 80 10 A T。（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1.1X 1.2U0。實際在選定開關(guān)管時，管子的最大允許工作電壓值還應(yīng)留有充分的余地

14、，一般選擇（23） 1.1X 1.2U0。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)動電路要簡單、開關(guān)頻率 要高、導通電阻要小等。 本設(shè)計選擇N溝道功率場效應(yīng)管IRF3205，該器件的VDSM=55V , 導通電阻僅為8m Q, IDM=110A，完全滿足設(shè)計要求。（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，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)流二極管時還要求導通電阻 要小，開關(guān)頻率要高， 一般要選用肖特基二極管和快恢復二極管。 本設(shè)計選用 MBR10100CT ， 其最大

15、方向工作電壓為 100V，最大正向工作電流為 10A，完全滿足設(shè)計要求。2、DC-DC 變換器控制電路設(shè)計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 Q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

16、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；當輸出電壓增高時，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)管的導通時間變短， 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。過流保護電路可以利用 TL494 內(nèi)部另一誤差放大器實現(xiàn)。圖中電流取樣電阻選擇 1Q /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），當電流大于 1.2A 時， 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驗板上焊接起來（此時主 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 腳連接點的輸出脈沖的波形， 由于反饋信號沒有引入， 此時輸出脈沖