【正文】 第2章 主電路工作原理分析 第2章 主電路工作原理分析本章主要從兩個(gè)方面方分析交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器穩(wěn)態(tài)工作原理：①變換器輸入輸出的基本關(guān)系以及電路中各個(gè)器件的電壓電流應(yīng)力關(guān)系。由于這部分相對(duì)簡(jiǎn)單，這里只是將半導(dǎo)體器件的電壓電流應(yīng)力和輸入輸出電壓的關(guān)系列出。這部分的工作主要是為第三章功率電路各器件的設(shè)計(jì)選取提供依據(jù)。②變壓器的磁化過程，由于交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器的變壓器有個(gè)短暫的反向磁化的過程，這是單路雙管正激變換器的變壓器所沒有的一個(gè)過程，因此這里單獨(dú)對(duì)變壓器的磁化過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析。 為方便論述，將第一章交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器的主電路再畫在這里，如圖21所示。 QQDD2與副邊拓?fù)錁?gòu)成一路雙管正激變換器，QQDD4與副邊拓?fù)錁?gòu)成另一路雙管正激變換器，DD6分別為這兩路變換器的副邊整流二極管，D7為兩路空用的續(xù)流管，L、C分別為輸出濾波電感和濾波電容。圖21交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器① 輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系 其中D是單路占空比，K是變壓器的變比（文中出現(xiàn)的占空比都是指單路占空比）。② 關(guān)管的電壓電流應(yīng)力當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，開關(guān)管上的電壓是輸入電壓Vi，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，流過開關(guān)管的電流是經(jīng)變壓器變換后的負(fù)載電流，其有效值是③副邊整流管的電壓電流應(yīng)力流過整流管電流的有效值 對(duì)于兩路共用一個(gè)電感的拓?fù)鋪碚f，副邊整流二極管的電壓應(yīng)力是變壓器副邊電壓的兩倍。 ④副邊續(xù)流管的電壓電流應(yīng)力流過續(xù)流管電流的有效值為副邊續(xù)流二極管的電壓應(yīng)力是變壓器副邊電壓。⑤原邊續(xù)流二極管的電壓電流應(yīng)力流過該二極管的電流是變壓器磁化電流，其上的電壓是輸入電壓。對(duì)于共用一個(gè)電感的交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器來說，其磁化曲線不象單路雙管正激變換器是第一象限單向磁化的，而是會(huì)運(yùn)動(dòng)到第三象限。這是由于另一路的存在，使得這路在變壓器去磁完畢后變壓器副邊不會(huì)被續(xù)流二極管短路，造成共用一個(gè)電感的交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器的變壓器磁化曲線會(huì)運(yùn)動(dòng)到第三象限?！?】下面依據(jù)圖22所示的電壓電流原理波形，對(duì)這個(gè)過程進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。分析前做如下一些假設(shè)：① 所有開關(guān)管，二極管均視為理想器件；② L足夠大，在一個(gè)開關(guān)周期中，其電流基本保持不變，這樣L和C以及負(fù)載電阻可以看成是一個(gè)電流為I0的恒流源。圖22半導(dǎo)體器件的電壓電流原理圖在t0時(shí)刻前，QQDD2上電壓均為（1/2）Vin，QQ4上電壓均為Vin。負(fù)載電流Io通過D7續(xù)流，DD4導(dǎo)通，磁化電流減小，變壓器T2實(shí)現(xiàn)鐵心磁復(fù)位。t0時(shí)刻，QQ2開通，DDQQ4仍截止，DD4仍導(dǎo)通，T2勵(lì)磁電流繼續(xù)通過DD4續(xù)流，線性減小，回饋電源。D7關(guān)斷，D5導(dǎo)通，電源通過T1給副邊傳輸能量，T1磁化電流從零線性上升。，勵(lì)磁電流為零，DD4自然關(guān)斷。開關(guān)管QQ2的驅(qū)動(dòng)脈沖變?yōu)榈碗娖剑琎Q2關(guān)斷，T1磁化電流從正向最大值線性下降。D5關(guān)斷，D7開通，負(fù)載電流I0經(jīng)D7續(xù)流。DD2開通，T1的磁化電流通過DD2續(xù)流，線性減小，回饋電源。QQ2承受的電壓為Ui。，QQ4的驅(qū)動(dòng)脈沖為高電平，QQ4開通，開始工作與下半周期，兩路雙管正激變換器互換工作狀態(tài)，重復(fù)前半周期的工作過程。：以T1為例，當(dāng)QQ2關(guān)斷后，由于變壓器的原邊、副邊均有剩磁，所以流過原副邊的電流不能突變?yōu)榱悖呺娏鹘?jīng)續(xù)流二極管DD2續(xù)流，并逐漸減小，復(fù)邊電流經(jīng)D5續(xù)流，電感電流經(jīng)D7續(xù)流，此時(shí)二極管DD7均導(dǎo)通，使變壓器副邊短路，副邊電壓為零，由于變壓器的箝位作用，使原邊電壓為零，原邊電流迅速減小為零，實(shí)現(xiàn)變壓器復(fù)位?！?】從以上分析可見，雙路交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激DC/DC變換器交替工作，向副邊傳輸能量，通過二極管DD2或DD4向電源回饋能量，實(shí)現(xiàn)鐵芯磁復(fù)位，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔。并且主功率管關(guān)斷期間只承受電源電壓，這樣就可以選用高速的MOS管，從而減小輸出和輸入的濾波元件的體積。而且，兩路交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器相對(duì)于單路雙管正激變換器，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①在同樣開關(guān)頻率下，輸出濾波電感上電壓的頻率提高了一倍，這樣減小了輸出濾波電感的體積，同時(shí)輸入電流脈動(dòng)頻率提高一倍，減小了輸入濾波器的體積，從而進(jìn)一步減小整機(jī)的體積。②由于兩路交錯(cuò)并聯(lián)，使得整流側(cè)輸出電壓等效占空比增加一倍，這就帶來兩個(gè)好處：，整流側(cè)輸出電壓占空比可以在0~1之間變化，提高了電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并且有利于驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)；，變壓器副邊匝數(shù)減少一倍，這使得整流側(cè)峰值電壓減小一半，續(xù)流時(shí)間減小，有利于選擇低電流定額的續(xù)流管。③并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以使每個(gè)并聯(lián)支路流過更小的功率，消除變換器的“熱點(diǎn)”，使熱分布均勻，提高可靠性?！?0】本章首先分析雙管正激變換器穩(wěn)態(tài)工作原理，主要從兩個(gè)方面展開：①變換器輸入輸出的基本關(guān)系以及電路中各個(gè)器件的電壓電流應(yīng)力關(guān)系。由于這部分相對(duì)簡(jiǎn)單，這里只是將半導(dǎo)體器件的電壓電流應(yīng)力和輸入輸出電壓的關(guān)系列出。這部分的工作主要是為第三章功率電路各器件的設(shè)計(jì)選取提供依據(jù)。②變壓器的磁化過程。由于交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器的變壓器有個(gè)短暫的反向磁化的過程，這是單路雙管正激變換器的變壓器所沒有的一個(gè)過程，因此這里單獨(dú)對(duì)變壓器的磁化過程進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析。第3章 電路參數(shù)設(shè)計(jì) 第3章 電路參數(shù)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo) 交流電壓：380V177。20%輸入電壓：交流電壓整流后得410VDC~615VDC輸出電壓：180V直流輸出輸出功率：該變換器是某逆變器的前級(jí)，逆變器輸出滿載功率為3KW?？紤]到逆變器自身損耗，將該DC/DC變換器平均輸出功率定為3300W，最大瞬時(shí)功率定為6300W。保護(hù)功能：輸入過壓保護(hù)、輸出過壓保護(hù)、原邊過流保護(hù)、后級(jí)保護(hù)、前級(jí)保護(hù)、輸出短路時(shí)具有限流功能(故障消除時(shí)能恢復(fù)正常工作)。 主電路參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮穩(wěn)態(tài)時(shí)各元器件的電壓電流關(guān)系。 由于輸入濾波電容的存在，忽略三相整流后電壓的波動(dòng)，從而近似輸入電壓無波動(dòng)。【1】a、占空比和變壓器變比的確定控制芯片選用UC3525，開關(guān)頻率設(shè)計(jì)在50K。在輸入電壓最低為410VDC時(shí)，保證輸出電壓以達(dá)到180V。 由公式： （31）可得變壓器原副邊變比K=N1:N2=，考慮到實(shí)際電路中會(huì)有一定的占空比丟失，取變比K為2。b、磁芯選擇 根據(jù)公式 （32）其中等價(jià)功率PT=，載流密度J=4A/mm2，窗口利用系數(shù)KO=，,，EE55B型磁芯符合.再根據(jù)公式 （33）得到變壓器原邊參數(shù)N1=，取28，根據(jù)變比要求取副邊匝數(shù)為14。 a、濾波電感根據(jù)公式 （34）其中R為5，=1對(duì)應(yīng)電感電流的臨界點(diǎn)，=50KHZ，求得L=130uH。b、濾波電容根據(jù)公式 （35）其中R為5，=50KHZ，求得C=70uF。 根據(jù)整流后的最高輸入電壓為615V,選取耐壓為800V的MOSFET。 續(xù)流管中流過的是變壓器磁化電流，取磁化電流為負(fù)載電流的5%，因此得到流過原邊續(xù)流管的電流為 原邊續(xù)流管的電壓應(yīng)力是輸入直流母線電壓，最大為615V，選取DSEl8—12型二極管。 流過整流管電流的瞬時(shí)值是流過開關(guān)管電流瞬時(shí)值的兩倍，則流 過整流管的最大電流為 I=2Iq=承受的最大電壓也為615V，選取DSEl30—12二極管。開關(guān)頻率相對(duì)于輸出功率變化的頻率很高，在每個(gè)開關(guān)周期中，電感電流近似不變。流過該二極管的最大電流為IDFmax=IDRmax=考慮到線路電感引起的電壓尖峰和反向恢復(fù)損耗可能會(huì)熱擊穿二極管，選取兩個(gè)IXYS公司的DSEl30—06二極管串聯(lián)。 控制電路關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì) 控制電路采用Unitrode公司的集成芯片UC3525，此芯片是電壓型芯片，可以外接一個(gè)運(yùn)算放大器，做電壓環(huán)，其內(nèi)部的運(yùn)放用來做電流環(huán)，該芯片具有功能強(qiáng)大、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，能完全滿足控制及保護(hù)功能要求。UC3525能提供接近50%的脈寬控制，可設(shè)定死區(qū)時(shí)間，對(duì)稱性好，工作頻率可達(dá)400kHz，圖騰柱結(jié)構(gòu)輸出，輸出能力達(dá)500mA，內(nèi)帶2MHz帶寬的放大器，軟啟動(dòng)功能，Shutdowm保護(hù)端功能?！?0】根據(jù)控制要求，采用如圖31所示的3525外圍電路及參數(shù)要求。頻率由6腳與5腳值決定。開關(guān)頻率為50KHz,內(nèi)部振蕩頻率為100 KHz,可確定:, 。由于雙管正激變換器無直通現(xiàn)象，為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)相應(yīng)，可以盡量增大最大占空比，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，將死區(qū)設(shè)置電阻Rd定位0。芯片加電后，軟啟動(dòng)端P8腳提供50uA的輸出電流，對(duì)應(yīng)輸出占空比從0緩慢增至最大值，設(shè)定軟啟動(dòng)電容l0uF。軟啟動(dòng)時(shí)間為：軟啟動(dòng)端電平拉低后驅(qū)動(dòng)信號(hào)為零。在變換器出現(xiàn)某些故障時(shí)，可以拉低軟啟動(dòng)端電平，使輸出為零，如輸出過欠壓故障、輸入過壓故障、功率管過流故障等。軟啟動(dòng)端可以減小功率管的開機(jī)沖擊，避免變壓器的雙倍磁通效應(yīng)。，切斷芯片工作，沒有驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，并給軟啟動(dòng)端電容復(fù)位：，重新軟啟動(dòng)。要正常實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。某些故障保護(hù)端必須加在Shutdowm，如功率管短路故障、輸入過壓故障、變壓器原邊過流故障等。9腳附近并接較小容量的解耦電容，濾除圖騰柱產(chǎn)生的諧波，以免影響系統(tǒng)的正常工作。圖31UC3525外圍電路圖32過電流保護(hù)電路圖3—2是原邊電流取樣電路。TT2是脈沖電流互感器，它們?cè)陔娐分薪惶婀ぷ饔脕頇z測(cè)功率M0SFET漏極流過的電流波形。目前可行的電流取樣器件有，無感電阻、霍爾電流傳感器、普通的電流互感器。無感電阻是采用無感繞法的低值電阻，盡管用法簡(jiǎn)單，但會(huì)造成明顯的附加壓降和損耗?；魻栯娏鱾鞲衅魇潜容^理想的快速電流檢測(cè)器件，但價(jià)格較貴限制了它的應(yīng)用。普通的電流傳感器存在帶寬限制以及輸出信號(hào)失真等問題。 這里我們采用了脈沖電流互感器，套在功率MOSFET的漏極引線上，線上流過的電流是漏極電流Ids。引線相當(dāng)于脈沖電流互感器的原邊，匝數(shù)為1匝，磁環(huán)如果繞了N匝，則原副邊匝比為1/N。假設(shè)電流互感器鐵芯的工作磁導(dǎo)率很大，當(dāng)互感器的原邊流過正脈沖電流Ids時(shí)，副邊電流為Is=Ids/N，Is在檢測(cè)電阻RR6上建立電壓，Urs=Isr/N(R5=R6=R)，原邊電流降到0時(shí)磁場(chǎng)儲(chǔ)能通過擊穿二極管去磁。這樣副邊檢測(cè)電壓 很好地再現(xiàn)了原邊脈沖電流。電容CC2用于吸收高頻振蕩尖峰。檢測(cè)電壓送給LM31l比較器并與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。正常時(shí)，LM31l的輸出為高電平，當(dāng)檢測(cè)到脈沖電壓的峰值超過基準(zhǔn)電壓時(shí)，輸出低電平，這個(gè)信號(hào)傳給后接的保護(hù)、鎖定電路進(jìn)行過流保護(hù)。圖33主功率管驅(qū)動(dòng)電路如圖3—3所示是一路雙管正激電路的兩個(gè)主功率管的驅(qū)動(dòng)電路。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮：1)由于雙管正激電路結(jié)構(gòu)上的需要，兩個(gè)主功率管必須電氣隔離，因此采取了如圖所示的隔離驅(qū)動(dòng)電路。 2)輸入為3525輸出的方波信號(hào)，由于主功率管均為電壓型控制單極型功率器件，3525提供的兩個(gè)圖騰柱輸出級(jí)電路結(jié)構(gòu)不太適用，因此經(jīng)對(duì)管QQ2驅(qū)動(dòng)。3)為了提高M(jìn)OS管的關(guān)斷耐壓和抑制干擾的能力，開關(guān)管關(guān)斷時(shí)在其柵源間加負(fù)電壓。C為隔直電容，RR3為柵極驅(qū)動(dòng)電阻，目的是防止電流尖峰引起的高頻振蕩。穩(wěn)壓二極管DD2和DD4目的是防止MOSFET正負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓過高損壞管子。該電路的優(yōu)點(diǎn)是該電路只使用一個(gè)+15V電源，即為單電源。由于隔直電容C的作用可以在關(guān)斷所驅(qū)動(dòng)的管子時(shí)提供一個(gè)負(fù)壓，從而加速了功率管的關(guān)斷，因此有較高的抗干擾能力。 本章小結(jié)本章主要是通過樣機(jī)參數(shù)的指標(biāo)，分別設(shè)計(jì)了主電路中的一些重要參數(shù)和控制電路中比較重要的參數(shù)。最后還對(duì)主功率管的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了分析，并確定出了主功率管的驅(qū)動(dòng)電路。第4章 主電路小信號(hào)模型分析和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 第4章 主電路小信號(hào)模型分析和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 正激變換器小信號(hào)模型推導(dǎo)與分析由于雙管正激變換器的兩個(gè)開關(guān)管是同時(shí)開通和關(guān)斷的，因此其工作過程和單管正激變換器幾乎沒有區(qū)別，而正激變換器又是從 Buck 變換器變化而來，Buck 電路如下圖所示。在 Buck 變換器的基礎(chǔ)上添加一個(gè)變壓器以實(shí)現(xiàn)電氣隔離和能量傳輸即可得到正激變換器。因此分析 Buck 變換器模型可以得到正激變換器的具體工作過程。【9】圖42BUCK電路原理圖為了獲得 Buck 開關(guān)變換器的基本工作特性而又簡(jiǎn)化分析，假定電路工作在理想狀態(tài)下。下面以此電路模型為基礎(chǔ)推導(dǎo) Buck 的狀態(tài)空間表達(dá)式。假設(shè)電感電流連續(xù)，則Ton 時(shí)間內(nèi)，電感電流線性增加， （41） （42）T 時(shí)間內(nèi)，電感電流線性減小 （43） （44）以IL、Vc為狀態(tài)變量，分別列出Ton、Toff時(shí)間內(nèi)狀態(tài)方程表達(dá)式。在0s≤ t ≤ dT期間： （45） （46）簡(jiǎn)寫成