DCDC变换器的设计专项方案.doc

一个模块化高效DC-DC变换器开发和研制
设计方案
一、 设计任务：设计一个将220VDC升高到600VDCDC-DC变换器。在电阻负载下，要求以下：
1、 输入电压=220VDC，输出电压=600VDC。
2、 输出额定电流=2.5A，最大输出电流=3A。
3、 当输入在小范围内改变时，电压调整率SV≤2%（在=2.5A时）。
4、 当在小范围你改变时，负载调整率SI≤5%（在=220VDC时）。
5、 要求该变换器在满载时效率η≥90%。
6、 输出噪声纹波电压峰-峰值≤1V（在=220VDC，=600VDC，=2.5A条件下）。
7、 要求该变换器含有过流保护功效，动作电流设定在3A。
8、 设计相关均流电路，实现多个模块之间并联输出。
二、 设计方案分析
1、DC-DC升压变换器整体设计方案
图1 DC-DC变换器整体电路图
图1升压式DC-DC变换器整体电路所表示，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，是相对输出电压自动调整。控制电路单元以SG3525为关键，正确控制驱动电路，改变驱动电路驱动信号，达成稳压目标。
2、DC-DC升压变换器主电路工作原理
DC-DC功率变换器种类很多。根据输入/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DC-DC变换器又可分为降压式、升压式、极性反转式等多个；隔离型DC-DC变换器又可分为单端正激式、单端反激式、双端半桥、双端全桥等多个。下面关键讨论非隔离型升压式DC-DC变换器工作原理。 图2（a） DC-DC变换器主电路
图2（b） DC-DC变换器主电路
图2（a）是升压式DC-DC变换器主电路，它关键由开关变换电路、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模拟出升压式DC-DC变换器主电路图。其中开关变换电路关键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升压变压器和一个隔直电容组成；整流电路部分采取桥式整流设计方案，由四个快速恢复二极管组成，实现将逆变产生纹波电流变换为直流方波电流；输出滤波电路采取LC滤波电路设计方案。
电路工作原理是：直流电压 经过Q1～Q4 组成全桥开关变换电路，在高频变压器初级得到高频交流方波电压，经变压器降压，再全波整流变换成直流方波，最终经过电感L、电容C组成滤波器，在R上得到平直直流电压。全桥直流变换器由全桥逆变器、高频变压器和输出整流、滤波电路组成，也属于直流-交流-直流变换器。
当控制信号为高电平时，开关管Q1/Q4导通，开关管Q2/Q3截止；当控制信号为低电平时，开关管Q1/Q4截止，开关管Q2/Q3导通一正一负，相间交替，实现了将直流电流逆变为锯齿纹波功效。
3、DC-DC变换器稳压原理
经过输出电压关系式能够看出，在输入电压或负载改变，要确保输出电压保持稳定时，能够采取两种方案。第一能够维持开关管截止时间TOFF不变，经过改变脉冲频率f来维持输出电压稳定，这便是脉冲频率调制（PFM）控制方法DC-DC变换器；第二能够保持脉冲周期T不变，经过改变开关管导通时间TON，即脉冲占空比q，以实现输出电压稳定，这就是脉宽调制（PWM）控制方法DC-DC变换器。因为现在已经有多种型号集成PWM控制器，所以DC-DC变换器普遍采取PWM控制方法。 图2 DC-DC 稳压电路组成
　　图3是DC-DC升压稳压变换器原理图，它关键有采样电路、控制电路（比较放大、误差放大）、驱动电路组成。其稳压原理是：假如输入电压增大，则经过采样电阻将输出电压改变（增大），采样和基准电压相比较经过比较放大器输出信号去控制控制电路输出脉冲占空比q改变（减小），结果可使输出电压保持稳定。反之，当输入电压减小时，PWM控制器输出脉冲占空比q也自动改变（增大），输出电压仍能稳定。
三、关键单元电路设计
1、DC-DC变换器主电路设计
该升压电路结构选择图1所表示电路。该变换电路设计关键是确定关键元件：输出滤波电容C、电感L、开关管IGBT和二极管D。
（1）输入滤波电容选择
输入滤波电容是电解电容，关键是滤除低频波，平滑直流输出电压，减小其脉动，通常电容电容值是从控制纹波角度考虑，不过直流220V蓄电池输入无法确定其纹波，我们现在假设其是经过三相交流桥式整流得到DC220V电压。

图（3.1）MATLAB仿真图
图（3.2）MATLAB仿真波形
因为经过电容滤波以后，电压会升高，所以把整流后有效直流电压设置为低于220V。
本设计从能量角度估算电容值，在电压脉动过程中，电容不停充电和放电。滤波电容输出即为后续电路电源。
在电压改变过程中电容吸收能量为：

为了确保即使在最低输入电压时，也能确保额定输出功率，依据能量守恒定律，在半周期内输出能量等于电容从谷点电压充电到峰值电压储存能量。
最低输入电压：
峰值电压：
谷点电压：
效率：η（假设效率为90%）
三相整流后脉动频率为3f
每个周期中输入滤波电容提供能量为：
每半个周期中输入滤波电容提供能量为：
于是得

则：

这么计算出来看似很大，其实不然，从另一个方面说，220V蓄电池输出电压也不可能是这么脉动，所以这个电解电容选择要使用经验值。
我们结合电路设计参数要求和现在市场中生产厂家所生产有极性电解电容型号，最终选择使用两个450V/470μF电解电容并联来滤除输入电源中低频波。
因为电解电容无法吸收加在其两端高频分量，所以还要在输入直流端并联上无极性陶瓷电容，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
由上图可知流过电感电流波形图以下图所表示
当负载电流降低，直到负载电流减小到

此时电流波形图以下：
斜波电流最低点恰好降到零，在这个最低点处，电感电流为零，储能为零。假如负载电流深入减小，电感将进入不连续工作状态，电压和电流波形，和闭环传输函数将发生较大改变。
于是们在输出端加上一个“死负载”，让输出端电流一直保持＞确保其使电路在期望负载电流范围内工作和连续模式。同时，电感选择应确保直流输出电流为最小要求电流时，电感电流也保持连续。
通常最小要求电流约为额定负载电流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—峰值二分之一时，进入不连续工作模式，则

对于电感：
→
所以

其中为产生一个脉冲电压时开关管开通时间
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能够输出所需
而

则

于是

（假设）
带入得

整理为

假如假定最小电流为额定电流1/20则有

计算电感量为12mH，实际选择20mH/5A电感。电感自己绕制。
设计电感参数：
直流电流：16.67A,
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
输出滤波电容选择满足部分特征，并非理想电容，它可等效为寄生电阻和电感和其理想纯电容串联。
称为等效串联内阻，称为等效串联电感。
通常，假如考虑串联扼流圈纹波电流幅值，我们总期望这个纹波电流大部分分量流入输出电容，所以输出电压纹波由输出滤波电容、等效串联电阻和等效串联电感决定。对于低频（低于500KHz）纹波电流，能够忽略，输出纹波关键由和决定。是大电解电容，所以在开关频率处，由产生纹波电压分量小于由产生纹波电压分量。所以在中频段，输出纹波靠近等于交流纹波电流乘以。
有两个分别由和决定纹波分量，由决定纹波分量和电感斜波峰—峰值（-）成正比，而由决定纹波分量和流过电流积分成正比。
为了估算这些纹波分量并选择电容，必需知道值，而电容厂家极少直接给出该值。但从部分厂家产品目录能够知道，对很大范围内不一样电压等级不一样容值常见铝电解电容，其值近似为。
（3） 开关管选择
开关管VT在电路中承受最大电压是U0，考虑到输入电压波动和电感反峰尖刺电
压影响，所以开关管最大电压应满足＞1.1×1.2U0。实际在选定开关管时，管子最大许可工作电压值还应留有充足余地，通常选择（2~3）1.1×1.2U0。开关管最大许可工作电流，通常选择（2~3）II。开关管选择，关键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） 续流二极管选择
在电路中二极管最大反向电压为U0，流过电流是输入电流II，所以在选择二极管时，
管子额定电压和额定电流全部要留有充足大余地。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，通常要选择肖特基二极管和快恢复二极管。本设计选择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变换器控制电路选择集成PWM控制器TL494组成，调制脉冲频率选择50kHz，选择振荡电容CT为1000pF，电阻RT为22kΩ即可满足要求。脉冲采取单端输出方法，将13脚接地，为了提升驱动能力，从内部三极管集电极输出，并将两路并联，立即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。为了确保输出电压U0稳定，要引入负反馈，即经过取样电阻R1、R2、RP1将输出电压反馈到TL494内部误差放大器同相输入端（1脚），误差放大器反相输入端（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，误差放大器输出增大，结果使输出脉冲宽度变窄，开关管导通时间变短，输出电压将保持稳定。图中连接在误差放大器2脚和3脚之间电阻和电容是组成PID调整器，目标是改善系统动态特征。在给定参数下，调整RP2使15脚电位等于2.2V，然后调整RP1即可调整输出电压值。
　　过流保护电路能够利用TL494内部另一误差放大器实现。图中电流取样电阻选择1Ω/2W精密电阻，两端并联一高频滤波电容，误差放大器反相端（15脚）接电压等于2.2V基准电压，电流取样电阻上电压输入误差放大器同相输入端（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、系统安装和调试
1、首先将由TL494组成控制电路按图4在面包板上插接或在试验板上焊接起来（此时主回路先不接入）。
2、检验无误后，假如+12V电源。1脚和16脚经过电阻接地，用示波器观察9、10脚连接点输出脉冲波形，因为反馈信号没有引入，此时输出脉冲信号脉宽最大；测量脉冲信号频率是否为50kHz；同时调整电位器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，调整电位器RP1，使输出电压U0等于24V。
4、将电阻为50Ω/100W可变电阻接入到变换器输出端，调整电阻大小，使输出电流大小等于1A，然后分别对变换器性能指标进行测试。
5、过流保护测试。当逐步增大输出电流时，用示波器观察PWM控制器输出脉冲改变情况，同时测量输出电压改变。

五、优缺点