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DC-DC

时间:2013-08-30 18:18来源: 作者:辛青松 点击:
方案

 一种模块化高效DC-DC变换器的开发与研制

设计方案
一、 设计任务:设计一个将220VDC升高到600VDC的DC-DC变换器。在电阻负载下,要求如下:

1、 输入电压 图1  DC-DC变换器整体电路图

如图1升压式DC-DC变换器整体电路所示,该DC/DC电压变换器由主电路、采样电路、控制电路、驱动电路组成;开关电源的主电路单元、样电路单元采、控制电路单元、驱动电路单元组成闭环控制系统,是相对输出电压的自动调整。控制电路单元以SG3525为核心,精确控制驱动电路,改变驱动电路的驱动信号,达到稳压的目的。
2、DC-DC升压变换器主电路的工作原理

DC-DC功率变换器的种类很多。按照输入/输出电路是否隔离来分,可分为非隔离型和隔离型两大类。非隔离型的DC-DC变换器又可分为降压式、升压式、极性反转式等几种;隔离型的DC-DC变换器又可分为单端正激式、单端反激式、双端半桥、双端全桥等几种。下面主要讨论非隔离型升压式DC-DC变换器的工作原理。                          图2(a) DC-DC变换器主电路

1图2(b) DC-DC变换器主电路

图2(a)是升压式DC-DC变换器的主电路,它主要由开关变换电路、高频变压电路、整流电路、输出滤波电路四大部分组成;图1(b)是用matlab模拟出的升压式DC-DC变换器的主电路图。其中开关变换电路主要由绝缘栅双极型晶体管IGBT、储能电容C和RC放电电路组成;高频变压器电路由一个工作频率为20KHz的升压变压器和一个隔直电容组成;整流电路部分采用桥式整流的设计方案,由四个快速恢复二极管构成,实现将逆变产生的纹波电流变换为直流方波电流;输出滤波电路采用LC滤波电路的设计方案。

电路的工作原理是:直流电压                      图2  DC-DC 稳压电路的组成

  图3是DC-DC升压稳压变换器的原理图,它主要有采样电路、控制电路(比较放大、误差放大)、驱动电路组成。其稳压原理是:假如输入电压4

3

输入滤波电容6

图(3.1)MATLAB仿真图

5图(3.2)MATLAB仿真波形

因为经过电容滤波之后,电压会升高,所以把整流后的有效直流电压设置为低于220V。
本设计从能量的角度估算电容值,在电压脉动的过程中,电容不断的充电和放电。滤波的电容的输出即为后续电路的电源。
在电压变化过程中电容吸收的能量为:

为了保证即使在最低输入电压时,也能保证额定的输出功率,根据能量守恒定律,在半周期内输出的能量等于电容从谷点电压充电到峰值电压储存的能量

最低输入电压:

每半个周期中输入滤波电容提供的能量为:

于是得

则:

这样计算出来看似很大,其实不然,从另一个方面说,220V蓄电池的输出电压也不可能是这样脉动的,所以这个电解电容的选取要使用经验值。

我们结合电路设计的参数要求和现在市场中生产厂家所生产的有极性电解电容型号,最终选择使用两个450V/470μF的电解电容并联来滤除输入电源中的低频波。15-ydkcn9-87202

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由于电解电容无法吸收加在其两端的高频分量,所以还要在输入直流端并联上无极性的陶瓷电容,0.3~0.5uF.陶瓷电容有体积小,容量大、耐热性好、价格低等优点。

(2)输出滤波储能电感设计

QQ拼音截图未命名
由上图可知流过电感的电流波形图如下图所示QQ拼音截图未命名

当负载电流减少,直到负载电流减小到

QQ拼音截图未命名
此时电流波形图如下:

斜波电流的最低点正好降到零,在这个最低点处,电感电流为零,储能为零。如果负载电流进一步减小,电感将进入不连续工作状态,电压和电流的波形,以及闭环传递函数将发生较大变化。

于是们在输出端加上一个“死负载”,让输出端的电流始终保持保证其使电路在期望的负载电流范围内工作与连续模式。同时,电感的选择应保证直流输出电流为最小规定电流时,电感电流也保持连续。

通常最小规定电流约为额定负载电流的10%。

由上图可知,电感电流斜波为:

因为当直流电流等于电感电流斜波峰—峰值一半时,进入不连续工作模式,则

QQ拼音截图未命名

对于电感:

 →

所以

其中为产生一个脉冲电压时开关管的开通时间


由图可知,对于全桥变换器,当最小时,使最小时不需要大于就可以输出所需的

于是

(假设

带入得

整理为

如果假定最小电流为额定电流的1/20则有

计算电感量为12mH,实际选择20mH/5A的电感。电感自己绕制。
设计电感参数:
直流电流:16.67A,

QQ拼音截图未命名交流电流:

纹波频率:20KHz
需设计电感量:L=20mH
铁芯材质:硅钢片叠片
铁芯形式:C型
温升:25度
(3)输出滤波电容设计

输出滤波电容

(3) 开关管的选择

开关管VT在电路中承受的最大电压是U0,考虑到输入电压波动和电感的反峰尖刺电
压的影响,所以开关管的最大电压应满足>1.1×1.2U0。实际在选定开关管时,管子的最大允许工作电压值还应留有充分的余地,一般选择(2~3)1.1×1.2U0。开关管的最大允许工作电流,一般选择(2~3)II。开关管的选择,主要考虑开关管驱动电路要简单、开关频率要高、导通电阻要小等。本设计选择N沟道功率场效应管IRF3205,该器件的VDSM=55V,
导通电阻仅为8mΩ,IDM=110A,完全满足设计要求。

(4) 续流二极管的选择

在电路中二极管最大反向电压为U0,流过的电流是输入电流II,所以在选择二极管时,
管子的额定电压和额定电流都要留有充分大的余地。另外选择续流二极管时还要求导通电阻要小,开关频率要高,一般要选用肖特基二极管和快恢复二极管。本设计选用MBR10100CT,其最大方向工作电压为100V,最大正向工作电流为10A,完全满足设计要求。
2、DC-DC变换器控制电路设计
  DC-DC变换器控制电路选用集成PWM控制器TL494构成,调制脉冲的频率选择50kHz,选择振荡电容CT为1000pF,电阻RT为22kΩ即可满足要求。脉冲采用单端输出方式,将13脚接地,为了提高驱动能力,从内部三极管的集电极输出,并将两路并联,即将8、11脚并联接电源(即输入电压UI),9、10脚并联,该端即为脉冲输出端。为了保证输出电压U0稳定,要引入负反馈,即通过取样电阻R1、R2、RP1将输出电压反馈到TL494内部误差放大器的同相输入端(1脚),误差放大器的反相输入端(2脚)接一参考电压,图中由电阻R3、R4、RP2组成;当输出电压增高时,反馈信号和参考电压比较后,误差放大器的输出增大,结果使输出脉冲的宽度变窄,开关管的导通时间变短,输出电压将保持稳定。图中连接在误差放大器2脚和3脚之间的电阻和电容是构成PID调节器,目的是改善系统的动态特性。在给定参数下,调节RP2使15脚电位等于2.2V,然后调节RP1即可调节输出电压值。
  过流保护电路可以利用TL494内部另一误差放大器实现。图中电流取样电阻选择1Ω/2W的精密电阻,两端并联一高频滤波电容,误差放大器的反相端(15脚)接电压等于2.2V的基准电压,电流取样电阻上的电压输入误差放大器的同相输入端(16脚),当电流大于1.2A时,16脚电压大于15脚电压,误差放大器输出增大,TL494输出脉冲宽度变窄,输出电压减小,则起到限流作用。

                               图4  DC-DC升压稳压电路

 
四、系统安装与调试
1、首先将由TL494组成的控制电路按图4在面包板上插接或在实验板上焊接起来(此时主回路先不接入)。
2、检查无误后,假如+12V电源。1脚和16脚通过电阻接地,用示波器观察9、10脚连接点的输出脉冲的波形,由于反馈信号没有引入,此时输出脉冲信号的脉宽最大;测量脉冲信号的频率是否为50kHz;同时调节电位器RP2,使15脚电位等于2.2V。
3、上述控制电路调试正确后,将DC-DC升压变换器主回路接入,在负载RL情况下,接通输入12V直流电源,调节电位器RP1,使输出电压U0等于24V。
4、将电阻为50Ω/100W的可变电阻接入到变换器的输出端,调节电阻大小,使输出电流大小等于1A,然后分别对变换器的性能指标进行测试。
5、过流保护测试。当逐渐增大输出电流时,用示波器观察PWM控制器输出脉冲的变化情况,同时测量输出电压的变化。
 
五、优缺点
 
(责任编辑:电子科技协会)
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