【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 見附錄。 其中換能電路采用推挽變換，整流濾波采用橋式整流， PWM 控制電路以集成 IC 芯片 SG3525 為為主要控制器件。其他主要輔助電路包括 RCD 緩沖電路，橋式功率放大電路以及本電路 采用的兩路相同變換最后輸出電壓串聯(lián)的設(shè)計(jì)。 圖 1 推挽式整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 本電路實(shí)現(xiàn)了從直流 48V電壓逆變到 2021V直流電壓的 DCDC變換供后續(xù)電路使用。該系統(tǒng)工作過程 為 ： DC48V 入 推挽電路 整流濾波 PWM 控制電路 橋式功率放大 DC2021V 8 第一階段： 48V 直流輸入電壓 Ui 經(jīng)推挽電路變換成高頻交流方波電壓； 第二階段：產(chǎn)生的交流方波電壓經(jīng)整流濾波電路產(chǎn)生直流輸出 2021V； 本系統(tǒng)在實(shí)際的電路中采用兩路相同的推挽電路最后分別產(chǎn)生 1000V 直流電壓，串聯(lián)后實(shí)現(xiàn) 2021V 直流輸出。 本電路技術(shù)指標(biāo)為： 輸入電壓：蓄電池提供直流 48V 輸出電壓：額定直流 2021V 輸出功率：最大 3000W 輸出波紋：無特殊要求 ，因而無需穩(wěn)壓設(shè)計(jì) 。 下面將分別對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行 詳細(xì) 介紹。 推挽 變換 電路 設(shè)計(jì)與分析 推挽式變壓器開關(guān)電源，由于兩個(gè)開關(guān)管輪流交替工作，相當(dāng)于兩個(gè)開關(guān)電源同時(shí)輸出功率，其輸出功率約等于單一開關(guān)電源輸出功率的兩倍。因此，推挽式變壓器開關(guān)電源輸出功率很大，工作效率很高，經(jīng)橋式整流或全波整流 后，僅需要很小的濾波電感和電容，其輸出電壓紋波就可以達(dá)到非常小 ，符合設(shè)計(jì)要求。 電路中采用的 推挽 變換 電路 簡(jiǎn)化 結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，其屬于雙端式變換電路。圖中 橋式整流電路由 D D D D4 組成， C 為儲(chǔ)能濾波電容， R 為負(fù)載電阻， Uo 為直流輸出電壓， Io 為流過負(fù)載電阻的電流 ，關(guān)于整流濾波部分下 文將有詳細(xì)介紹 。 圖 2 推挽電路 簡(jiǎn)化 結(jié)構(gòu)圖 9 推挽電路中，初級(jí)繞組 N1=N2，兩個(gè)開關(guān)管 K K2 交替導(dǎo)通，在繞組 NN2 兩端分別形成相位相反的交流電壓，即將輸入直流電壓 Ui 變換成高頻交流方波電壓。當(dāng)激勵(lì)消失時(shí)， K1， K2 管均截止，其集電極施加的電壓均為輸入電壓Ui。兩開關(guān)管 K K2 不能同時(shí)導(dǎo)通，否則就相當(dāng)于變壓器初級(jí)繞組短路。因此，必須避免兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，兩個(gè)開關(guān)管各自的占空比不能超過 ，并且要留有死區(qū)。 圖 3 是推挽式變壓器開關(guān)電源，在兩個(gè)控制開關(guān) K1 和 K2 交替接通和斷開，且占空比 D 均等于 時(shí)，各主要工作點(diǎn)的電壓、電流波形。 圖 a)和圖 b)分別表示控制開關(guān) K1 接通時(shí)，開關(guān)變壓器初級(jí)線圈 N1 繞組兩端的電壓 u1 的波形，以及流過變壓器初級(jí)線圈 N1 繞組兩端的電流 i1 波形。 K1導(dǎo)通， K2 截止， Ui 通過 K1 加到變壓器的初級(jí)繞組 N1 上。由于變壓器的作用，因此將有 2 倍的輸入電壓 (2Ui)施加于截止的開關(guān)管 K2。 圖 c)和圖 d)分別表示控制開關(guān) K2 接通時(shí)，開關(guān)變壓器初級(jí)線圈 N2 繞組兩端的電壓 u2 的波形，以及流過變壓器初級(jí)線圈 N2 繞組兩端的電流 i2 的波形 。K2導(dǎo)通， K1 截止時(shí)， K1 承受的斷態(tài)電壓亦為 2 倍輸入電壓即 2Ui。 圖 e)和圖 f)分別表示控制開關(guān) K1 和 K2 輪流接通時(shí)，開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N3 繞組兩端輸出電壓 Uo 的波形，以及流過開關(guān)變壓器次級(jí)線圈 N3 繞組兩端的電流波形。 推挽電路電壓比為： 21Uo N DUi N? 在推挽型電路中，其占空比定義為： 2TonD Ts? 其中， Ton 為周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間， Ts 為信號(hào)周期，即 1/fs. 10 圖 3 橋式整流輸出推挽電路主要工作點(diǎn)波形 由于推挽式變壓器開關(guān)電源中的兩個(gè)控制開關(guān) K1 和 K2 輪流交替工作，其輸出電壓波形非常對(duì)稱，并且開關(guān)電源在整個(gè)工作周期之內(nèi)都向負(fù)載提供功率輸出，因此，其輸出電流瞬間響應(yīng)速度很高，電壓輸出特性很好。推挽式變壓器開關(guān)電源是所有開關(guān)電源中電壓利用率最高的開關(guān)電源，它在輸入電壓很低的情況下，仍能維持很大的功率輸出，所以推挽式變壓器開關(guān)電源被廣泛應(yīng)用于低輸入 11 電壓的 DC/AC 逆變器，或 DC/DC 轉(zhuǎn)換器電路中。 此外變壓器雙向勵(lì)磁，變壓器一次電流回路中只有一個(gè)開關(guān)，通態(tài)損耗較小，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，且輸出紋波電壓小，適用于功率在幾百瓦到幾千瓦低輸入電壓的開關(guān)電源。因此本電路采用推挽型電路是合適的。 本電路實(shí)際采用的推挽電路如下圖 4所示 ，其中開關(guān)管采用 MOSFET。 圖 4 實(shí)際采用的推挽電路簡(jiǎn)圖 推挽式變換器由于使用兩只 MOSFET 管，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)偏磁現(xiàn)象，出現(xiàn)這一現(xiàn)象是由兩只開關(guān)管的存儲(chǔ)時(shí)間和開關(guān)時(shí)間的差異所致。加在變壓器上的正、負(fù)電壓持續(xù)的時(shí)間不同，經(jīng)過幾個(gè)周期的積累，就會(huì)出現(xiàn)單繞組勵(lì)磁飽和現(xiàn)象和偏磁現(xiàn)象。因此，在選用 MOSFET 管時(shí)，盡量使兩只管子的技術(shù)參數(shù)保持一致。其次，在設(shè)計(jì)時(shí)它的工作頻率應(yīng)小于 100kHz。 SG3525 控制 電路設(shè)計(jì) 控制電路以 SG3525 為控制芯片，外圍電路簡(jiǎn)單。 SG3525 是 SGSThomson公司生產(chǎn)的采用電壓模式控制的通用集成 PWM 控制器。它簡(jiǎn)單可靠及使用方便靈活，輸出驅(qū)動(dòng)為推挽結(jié)構(gòu)的跟隨電路，增加了驅(qū)動(dòng)能力；內(nèi)部含有欠壓鎖定電 12 路、軟啟動(dòng)控制電路、 PWM 鎖存器；有過流保護(hù)功能，頻率可調(diào)，同時(shí)能限制最大占空比。在本次畢設(shè)中作為重要的控制電路，下面對(duì)其做簡(jiǎn)要介紹。 SG3525 管腳圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 5 SG3525 引腳功能 圖 6 SG3525 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 （引腳 1）：誤差放大器反向輸入端； Noninv input（引腳 2）：誤差放大器同向輸入端； Sync（引腳 3）：振蕩器外接同步信號(hào)輸入端； OSC Output（引腳 4）：振蕩器輸出端； CT（引腳 5）：振蕩器定時(shí)電容接入端 Ct； 13 RT（引腳 6）：振蕩器定式電阻接入端 Rt； Discharge（引腳 7）：振蕩器放電端；該端與引腳 5 之間外接一只 100Ω放電電阻，構(gòu)成放電回路； SoftStart（引腳 8）：軟啟動(dòng) 電容接入端，該端到地所連接的電容可以決定該芯片的軟啟動(dòng)時(shí)間，一般為 1~10 μ F，現(xiàn)取 1μ F； Compensation（引腳 9）： PWM 比較器補(bǔ)償信號(hào)輸入端。在該端與引腳 2 之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型調(diào)節(jié)器； Shutdown（引腳 10）：外部關(guān)斷信號(hào)輸入端，端接高電平時(shí)控制器輸出禁止；在本電路中接地； Output A（引腳 11）：輸出端 A，引腳 11 和引腳 14 是兩路互補(bǔ)輸出端； Ground（引腳 12）：信號(hào)地； Vc（引腳 13）：輸出機(jī)偏置電壓接入端； Output B（引腳 14）：輸出端 B； Vcc（引腳 15）：偏置電源接入端； Vref（引腳 16）：基準(zhǔn)電源輸出端，該端可輸出一溫度穩(wěn)定性極好地基準(zhǔn)電源； SG3525 工作 原理 1)直流電源 Us 從腳 15 接入后分兩路，一路加到或非門，另一路送到基準(zhǔn)電源穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的 +5V基準(zhǔn)電壓。 +5V 再送到內(nèi)部（或外部）電路的其他元器件作為電源。 2） 振蕩器的輸出分為兩路，一路以時(shí)鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個(gè)或非門，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)，形成 PWM 信號(hào)的上升沿； 3） 另一路以鋸齒波形式送至比較器的同相輸入端，比較器的反向輸入端接誤差放大器（ EA）的輸出； 誤差放大器（ EA）的輸出與鋸齒波電壓在比較器中進(jìn)行比較，當(dāng)三角波的瞬時(shí)值高于 EA 的輸出時(shí)， PWM 比較器翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，形成 PWM 信號(hào)的下降沿； 4） 或非門的另兩個(gè)輸入端分別為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和振蕩器鋸齒波。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出互補(bǔ)，交替輸出高低電平，將 PWM 脈沖送至三極管 VT1 及 VT2 14 基極，鋸齒波的作用是加入死區(qū) 時(shí)間，保證 VT1 及 VT2 不同時(shí)導(dǎo)通。 VT1 及VT2 分別輸出相位差為 180 度的 PWM 波。 SG3525 外圍電路設(shè)計(jì)及 參數(shù)計(jì)算 由于人耳可聽到的音頻范圍大致為 20Hz20kHz，因此逆變器的開關(guān)頻率大多選在 20kHz 以上，本電路選用 25kHz，以避免噪聲污染。因而振蕩器輸出頻率為約 50kHz，振蕩器頻率由外接電阻 Rt 和電容 Ct 決定，外接電容同時(shí)還決定死去時(shí)間的長(zhǎng)短。其公式為： 1(0 .7 3 )f Rt Rd Ct? ? 其中 Rd為引腳 7間跨接的電阻值；本電路取 Ct=1nF， Rt=27kΩ， Rd=100Ω。計(jì)算得振蕩器實(shí)際輸出頻率約為 52kHz， PWM 輸出頻率約為 26kHz。由于電容及電阻的誤差實(shí)測(cè)約 為 25KHz。 當(dāng) SG3525 調(diào)頻電阻 Rt、調(diào)頻電容 Ct 一定時(shí)，改變脈沖寬度，就會(huì)得到輸出脈沖寬度不同的一系列脈沖，得到引腳 1 14 輸出調(diào)寬電壓與占空比的關(guān)系，當(dāng)脈寬為周期的 1／ 2 時(shí)，輸出電壓幅度值最大。因此選擇占空比約 50%，考慮到預(yù)留死區(qū)時(shí)間，實(shí)際選用占空比 48%，死區(qū)時(shí)間 2%。 軟起動(dòng)電容接入端接一個(gè) 1μF的軟起動(dòng)電容，只有軟啟動(dòng)電容充電至其上的電壓使引腳 8處于高電平時(shí)，SG3525 才開始工作。系統(tǒng)中的基準(zhǔn)比較調(diào)節(jié)電路則由基準(zhǔn)引腳 Uref，同相輸入端及外圍電路構(gòu)成。 2 腳的電壓固定值為 。 由于本電路對(duì)輸出電壓穩(wěn)定性要求不高，且高輸出電壓的反饋穩(wěn)壓調(diào)節(jié)復(fù)雜，故而沒有反饋調(diào)節(jié)電路。但考慮到某些特殊要求， 9 腳外接可調(diào)變阻器，與 SG3525的 2 引腳一起構(gòu)成一個(gè)可手動(dòng)調(diào)節(jié)的 PI 調(diào)節(jié)器。其輸出與 5腳鋸齒波和軟啟動(dòng)電容一起可控制 PWM 控制器以產(chǎn)生方波。它的輸出級(jí) 1 14腳輸出兩路互補(bǔ)的 PWM 波。另外實(shí)際測(cè)試中，輸出的 PWM 方波下降沿有抖動(dòng)，在 9腳與地端接入RC濾波電路，消除影響。 SG3525 控制電路設(shè)計(jì)如下圖 ： 15 圖 7 SG3525 控制電路 整流濾波設(shè)計(jì) 整流電路設(shè)計(jì) 全橋整流電路及全波整流電路均能將交流脈沖轉(zhuǎn)換為直流電壓，即單一方向的脈沖電壓。 全波電路二極管承受的反向點(diǎn)電壓是 全橋電路的 2倍，因而適用于輸出電壓為 5100V 的低壓電路，因此本電路選用全橋整流電路。 輸出電路要求輸出功率 3000W，輸出電壓 2021V。由于輸出高壓，對(duì)元器件要求較高，故本電路采用兩相同變換電路串聯(lián)方式分壓，則每個(gè)整流電路電壓1000V，功率 1500W，則負(fù)載電流 。 由于耐壓要求較高， 本電路采用雙二極管串聯(lián)視為一個(gè) VD，可以較好地降壓 。 本電路中全橋整流電路由 8 個(gè)二極管以及 RC濾波元件構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如 圖 8所示 ： 16 圖 8 全橋整流電路 全橋整流 工作原理： 為分析方便，如圖 8，將兩個(gè)執(zhí)行相同功能的二極管視為一個(gè) VD，分別為VD VD VD VD4。 當(dāng) 次級(jí)方波脈沖為正時(shí) ，電流由 A點(diǎn)流出，經(jīng) VD1， RC， VD3 流入 B點(diǎn)，負(fù)載電壓 Uo=1000V， VD2 和 VD4 承受的反向電壓為 Uo，即 1000V； 當(dāng) 次級(jí)方波脈沖為負(fù) 時(shí)，電流由 B點(diǎn)流出，經(jīng) VD4， RC， VD2 流入 A點(diǎn)，負(fù)載電壓 Uo=1000V， VD1， VD3 承受方向電壓 Uo=1000V。 這樣，由于 VD1， VD3 和 VD2， VD4 兩對(duì)二極管交替導(dǎo)通，使得負(fù)載在整個(gè) 方波脈沖 周期內(nèi)都有電流通過，且方向不變，輸出電壓 Uo=1000V。 濾波電路設(shè)計(jì) 整流電路的輸出電壓雖然是單一方向的，但是仍然含有較大的交流成分，不能適應(yīng)大多數(shù)電子電路及設(shè)備的需要。因此，在整流后，還需利用濾