低壓大電流直直變換器的設(shè)計(jì)

1、低壓大電流直直變換器的設(shè)計(jì)低壓大電流直直變換器的設(shè)計(jì) 類(lèi)別：電源技術(shù)摘要：隨著計(jì)算機(jī)、通信技術(shù)、以及汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展 , 低電壓大電 流開(kāi)關(guān)電源成為目前一個(gè)重要的研究課題。本文介紹了一種利用推挽方式與同 步整流技術(shù)而設(shè)計(jì)的一個(gè)輸入直流電壓為 12V, 輸出電壓為 24V、輸出電流為 12A的直直變換器 , 該電源可將普通發(fā)電機(jī)發(fā)的電轉(zhuǎn)變?yōu)檐?chē)載系統(tǒng)所需電源。 1. 引言 開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)通和關(guān)斷的 時(shí)間比率，維持穩(wěn)定 輸出電壓的一種電源。從上世紀(jì) 9O年代以來(lái)開(kāi)關(guān)電源相 繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，計(jì) 算機(jī)、程控交換機(jī)、通訊、電子檢測(cè)設(shè)備 電源、控制設(shè)備電源等都已

2、廣泛地使用了開(kāi)關(guān)電源。 隨著電源技術(shù)的發(fā)展，低 電壓，大電流的開(kāi)關(guān)電源因其技術(shù)含量高，應(yīng)用廣，越來(lái)越受到人 們重視。在 開(kāi)關(guān)電源中，正激式和反激式有電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸入輸出電氣隔離等優(yōu) 點(diǎn)， 廣泛應(yīng)用于中小功率電源變換場(chǎng)合。與正、反激式相比，推挽式變換器變 壓器利用率高，輸 出功率較大，而且由于使用 MOS管, 基本不存在勵(lì)磁不平衡 的現(xiàn)象。因此，一般認(rèn)為推挽式變 換器適用于低壓，大電流，功率較大的場(chǎng) 合。 2. 基本推挽變換技術(shù) 推挽式直直變換器的電路結(jié)構(gòu)如圖 1（a） 所示, 波形如圖 1（b ）所示。推挽式逆變器將直 流電壓變換為交流方波加在高 頻變壓器的原邊，在隔離變壓器的副邊只有一

3、個(gè)二極管壓降。 當(dāng)開(kāi)關(guān)管 1 S 導(dǎo)通時(shí)，二極管 1 D 承受正壓而導(dǎo)通，而 2 D 由于反向偏置而截止；因此， 3 電路的設(shè)計(jì) 3.1 主電路的設(shè)計(jì) 開(kāi)關(guān)電源的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2 所示，詳細(xì)參數(shù)如下：輸入電壓為 12（1 ± 10 ）V，輸 出電壓為 24V，輸出電流 為 12A，工作頻率為 33kHz。主電路采用的是推挽型電路，主開(kāi)關(guān)管 用的是 IRFP064N,在主電路上輸入端有兩個(gè) 1000uF50V并聯(lián)的輸入濾波電容 , 在輸入 的電路 的正級(jí)接有一個(gè) 2.2uH 的輸入濾波電感（電感取值與輸出濾波電感一 樣）。電路中變壓器的 設(shè)計(jì)跟一般變換器所用變壓器設(shè)計(jì)類(lèi)似，只需注

4、意繞線 方式和銅線選擇，由于本變換器的電 流過(guò)大，故采用多股細(xì)線并繞的方式。 在輸出端用的是同步整流技術(shù)，在低電壓大電流功率變換器中，若采用傳統(tǒng)的 普通二 極管或肖特基二極管整流由于其正向?qū)▔航荡?（ 低壓硅二極管正向壓 降約 0.7V ，肖特基二 極管正向壓降約 0.45V，新型低電壓肖特基二極管可達(dá) 0.32V） ，整流損耗成為變換器的主要 損耗，無(wú)法滿足低電壓大電流開(kāi)關(guān)電源高 效率，小體積的需要。 MOSFE導(dǎo)T 通時(shí)的伏安特性為 一線性電阻，稱為通態(tài)電 阻 RDS ，低壓 MOSFE新T 器件的通態(tài)電阻很小，如： IRF2807（75V,82A） 、 IRL2910（100V,55A

5、）通態(tài)電阻分別為 0.013 、 0.O26，它們?cè)谕ㄟ^(guò) 20A 電流 時(shí)，通態(tài)壓降不到 0.2V。另外，功率 MOSFE開(kāi)T 關(guān)時(shí)間短，輸入阻抗高，這些 特點(diǎn)使得 MOSFET成 為低電壓大電流功率變換器首選整流器件。MOSFE的T柵-源問(wèn)的硅氧化層耐壓有限，一旦 被擊穿則永久損壞，所以實(shí)際上柵 - 源電壓 最大值在 50-75V 之間，如電壓超過(guò) 75V，應(yīng)該在柵 極上接穩(wěn)壓管 . 并從成本綜 合考慮，選用 IRF2807。需要特別指出的是圖中 MOS管做為整流 管的接法 ,有，有些讀者可能會(huì)認(rèn)為接法有誤，這是由于普通的參考用書(shū)沒(méi)有描述電力 MOSFE的T 正柵壓反向輸出特性。實(shí)際上，電力

6、 MOSFE除T 需要介紹非飽和區(qū)、 飽和區(qū)和截 止區(qū)外，還應(yīng)考慮反向電阻區(qū)，反向電阻區(qū)與正向電阻區(qū)有相類(lèi)似 的溝道特性。這是由于變 壓器二次側(cè)電壓為交變方波，整流管要承受反壓但電 力 MOSFE是T 逆導(dǎo)器件，若工作在正向 電阻區(qū)將無(wú)法整流。 在電壓輸出部 分，使用了 LC濾波電路，電感電容參數(shù)是根據(jù) LC濾波中 K 式濾波器濾波 特性 曲線及計(jì)算公式計(jì)算出來(lái)的 , 并在實(shí)驗(yàn)后做了調(diào)整。（ K式濾波是指串臂阻抗和 并臂阻抗 的乘積是一個(gè)不隨頻率變化的常數(shù)，量綱為電阻） 3.2 控制電 路的設(shè)計(jì) 控制電路選用 SG3525芯片，它是美國(guó)硅通用半導(dǎo)體公司 （Silicon General ）推出

7、的用 于驅(qū)動(dòng) N溝道功率 MOSFET的電流控制型 PWM控 制器，它具有很高的溫度穩(wěn)定性和較低的噪聲等 級(jí)，具有欠壓保護(hù)和外部封鎖 功能，能方便地實(shí)現(xiàn)過(guò)壓過(guò)流保護(hù)，能輸出兩路波形一致、相位差為 180°的PWM信號(hào)，有效地減少輸出電流的紋波，適合于推挽拓?fù)潆娐?。從控制芯?SG3525出來(lái)的兩路控制信號(hào)分別用來(lái)控制一個(gè) IRFP064N,達(dá)到了驅(qū)動(dòng)兩個(gè)開(kāi)關(guān) 管的目的 , 且 二者電流方向相反。 控制電路使用了閉環(huán)控制方式令輸出電 壓保持恒定，由檢測(cè)到的電壓經(jīng)過(guò)光耦隔離后傳 到 SG3525與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行 比較，以此來(lái)調(diào)整占空比并相應(yīng)調(diào)整輸出電壓 ,如圖 3反饋電壓的 檢測(cè),光耦選

8、 用 7840 不但起到了隔離作用使輸出電壓與輸入成比例變化。由于芯片所需電源 不能由輸入電源直接提供，所以特用了兩個(gè)直流穩(wěn)壓小芯片來(lái)提供電源，基準(zhǔn) 源要求穩(wěn)定的 電壓，在 SG3525本身所提供的穩(wěn)壓輸出的基礎(chǔ)上再通過(guò)一個(gè) TL431 的穩(wěn)壓，經(jīng)過(guò)測(cè)量完全達(dá) 到要求。 在輸出整流電路中，當(dāng)整流管 Q3的受正向電壓導(dǎo)通時(shí)，應(yīng)及時(shí)驅(qū)動(dòng) Q3導(dǎo)通，以減小壓降 和損耗。 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和波形分析 圖 5 是推挽電路兩路門(mén)極脈沖波形（示波器幅值 10），兩個(gè)脈沖基本是相互對(duì)稱的，方 向相反則勵(lì)磁方向相反可以避免勵(lì)磁不 平衡，電路此時(shí)工作在 Vi =11V 左右。圖 5 為變壓器輸 出電壓，也就是同步整

9、流管 Q3和 Q4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由圖可以看出上下兩個(gè)波形是對(duì)稱的 , 說(shuō)明 他們是 分別只有為正的時(shí)刻才導(dǎo)通。在實(shí)驗(yàn)室里用示波器測(cè)出了輸出電壓的波形 , 紋波 并不 大, 完全能達(dá)到電器類(lèi)電源的要求。實(shí)驗(yàn)所得波形和分析的波形基本吻 合，只是在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換 瞬間， 電壓有小尖峰，這是由電路的雜散參數(shù)引起的。 該電路的工作效率經(jīng)過(guò)測(cè)量大約在 90 左右，基本達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。 5 結(jié)語(yǔ) 仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析和公式推導(dǎo)的正確性，表明推挽 正激電路應(yīng)用于該 變換器中具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1）抑制了開(kāi)關(guān)管漏源極電壓 尖峰，降低了開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力和功率損耗，整機(jī)效率高。 2）變壓器雙 向磁化，磁芯利用率高。 3）輸入電流紋波安秒積分較其它拓?fù)湫?，減小 了輸入濾波器體積。4）輸出在經(jīng)過(guò) LC