【導(dǎo)讀】著高效率、大功率密度、高可靠性、低電磁抗干擾、無噪聲、維修方便等方向發(fā)展。時同步整流技術(shù)由于實(shí)現(xiàn)簡單，響應(yīng)速度快和具有自然限流等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛地應(yīng)用。該變換器主電路結(jié)構(gòu)簡單可靠，可以實(shí)現(xiàn)輸入：DC～，輸出。技術(shù)的方法和應(yīng)用MOSFET管的設(shè)計(jì)，較理想的實(shí)現(xiàn)了DC-DC變換器的設(shè)計(jì)要求。最后，運(yùn)用這些設(shè)計(jì)成功的設(shè)計(jì)出DC-DC直流變換器。對系統(tǒng)的外特性和穩(wěn)定性作了分析。

　　

【正文】 件的柵極－發(fā)射極（ IGBT）或柵極－源極（ MOSFET）間，在很多電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如半橋、全橋、雙正激型電路中，不同開關(guān)器件的發(fā)射極（或源極）間的電位差很大，而且在高速變化，因此驅(qū)動電 路還要具備隔離功能。 目前常用的驅(qū)動電路可以分為以下三種。 ① 變壓器隔離驅(qū)動電路（見圖 32） 28 Vcc 圖 32 變壓器隔離驅(qū)動電路 該電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低，隔離電壓能達(dá)到很高，傳輸延時很小，而且無需附加電源，適合于較高頻率（ 50kHz~10MHz）電路的驅(qū)動。由于變壓器只能傳輸交流信號，信號的正負(fù)伏秒面積必須相等，因此當(dāng)占空比改變時，驅(qū)動信號的正負(fù)脈沖幅值也 相應(yīng)變化。而 IGBT 和 MOSFET 的驅(qū)動信號正負(fù)脈沖幅值必 須在10～ 18V 范圍內(nèi)，負(fù)脈沖幅值也不能超過 20V，因此當(dāng)占空比超過 50％時，采用變壓器隔離驅(qū)動就不合適了。 ② 高壓集成電路驅(qū)動 是一種專用的高壓集成電路 (HVIC)，它采用高速光藕合器作為隔離傳輸信號的元件，隔離后的驅(qū)動電源采用“電荷泵”的方式，從主電路中取得，不再需要附加電源。這類集成電路的工作頻率可達(dá) 500kHz～ 1MHz,傳輸延時也很小。但是由于HVIC 技術(shù)的局限，目前只能用于 500V以下的小容量器件的驅(qū)動，而且成本較高，外圍電路復(fù)雜，可靠性也存在一定的問題。具有代表性 的產(chǎn)品是 IR 公司的 IR2021系列。 ③ 厚膜集成驅(qū)動電路模塊 是一類最適合于大容量開關(guān)電源的驅(qū)動電路。這類模塊通常是以陶瓷為基板，由貼裝元件構(gòu)成的混合集成電路。電路中采用光耦元件隔離傳輸信號，可以達(dá)到很高的隔離電壓。隔離后電路的電源由外部供給，通常需要正負(fù)兩組電源，以實(shí)現(xiàn)正負(fù)電平驅(qū)動。由于驅(qū)動信號的正負(fù)兩組電平不隨占空比變化，因此占空比也可以在 0 29 — 100﹪范圍內(nèi)任意變化，工作穩(wěn)定可靠。圖 33 為厚膜集成驅(qū)動電路模塊的基本原理。 Uce 圖 33 厚膜集成驅(qū)動電路模塊的基本原理 更為可貴的是，這類驅(qū)動電路本身都含有基于檢測器件通態(tài)壓降原理的過電流保護(hù)電路，可實(shí)現(xiàn)有效就地保護(hù)，這對于價格昂貴而且容易損壞的大容量開關(guān)器件的使用是非常必要的。但是這類電路也有一些缺點(diǎn)，如需要提供多組隔離的電源，電路復(fù)雜，成本高，光耦合器傳輸延時大，適用開關(guān)頻率低（ 40KHZ）等。這類電路的代表產(chǎn)品有：日本三菱研發(fā)的 M5795 M57962 系列，日本富士公司生產(chǎn)的 EXB8 EXB850 系列等。 30 μFμs快恢復(fù)μF 圖 34 M57962L型 IGBT驅(qū)動器的接線圖 31 第四章 控制電路的設(shè)計(jì)及保護(hù)電路的 實(shí)現(xiàn) 在 DC/DC 變換電路，可以控制直流輸出電壓的平均大小，使其與輸入電壓和輸出負(fù)載相適應(yīng)。在開關(guān)式 DC/DC 變換器電路中，輸入電壓是固定不變的，利用控制開關(guān)的開通時間和關(guān)斷時間（ Ton 和 Toff）來控制輸出電壓的平均值。 控制輸出電壓的方法有多種，其中最常用的方法是脈寬調(diào)制法（ PWM）或稱定頻調(diào)寬法。 PWM 型 DC/DC 開關(guān)變換器具有控制簡單，穩(wěn)態(tài)直流增益與負(fù)載無關(guān)等優(yōu)點(diǎn)。它的缺點(diǎn) 是開關(guān)損耗隨頻率的提高而增加，故限制了開關(guān)頻率的進(jìn)一步提高。 由于本系統(tǒng)的負(fù)載是鉛酸蓄電池，所以在設(shè)計(jì)控制電路時，應(yīng)根據(jù)鉛酸蓄電池的充電特性以及用戶對系統(tǒng)的要求來確定控制方案。用戶對系統(tǒng)的要求如下所述。 在充電過程中，所需充電電流的大小是隨充電時間的長短而有所變化的，開始時充電電流需要大一些，隨充電過程的進(jìn)行所需要電流應(yīng)逐步減小。 若一直以大電流充電，當(dāng)電壓達(dá)到給定值后立即停止充電，由于電池內(nèi)部電解液的擴(kuò)散作用的延時，電池電壓會不穩(wěn)定，而使電壓有所下降，即電池沒有充滿。但如果此時仍以大電流繼續(xù)充 電，則電池會受損，解決的辦法是當(dāng)端電壓接近給定值時，用小電流繼續(xù)充一端時間到給定值，這樣就能保證電池充滿。 控制方案的確定 控制電路是為主電路功率開關(guān)管提供激勵信號的電路，也是功率開關(guān)管正常工作不可缺少的輸入信號電路。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，控制電路必須具備以下功能： 、相差可調(diào)的矩形驅(qū)動信號。 ，能將電路輸出電流的微小變化轉(zhuǎn)化為相位控制信號，從而自動調(diào)整輸出電流。 。 障情況的保護(hù)措施。 32 ，避免開機(jī)沖擊現(xiàn)象。 根據(jù)蓄電池充電特性及用戶對該項(xiàng)目的要求，決定采用多級恒 流充電的方案，充電電流與電壓的關(guān)系曲線如圖 41 所示。 圖 41 充電電流與電壓的波形圖 充電開始，以 30A 的大電流進(jìn)行充電，當(dāng)電池端電壓達(dá)到 U1 時，改為以半電流 15A繼續(xù)充電至 U2，此時，蓄電池已基本充滿，最后，再以 3~6A 的小電流充電至 U3，則認(rèn)為蓄電池已完全充滿，充電過程結(jié)束。 為實(shí)現(xiàn)多級恒流控制， 系統(tǒng)采用電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中，電流調(diào)節(jié)器采用 PI 調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時無靜差。 系統(tǒng)控制部分的結(jié)構(gòu)圖如圖 42 所示。 33 分段給定PI調(diào) 節(jié)器單穩(wěn)觸發(fā)器PWM調(diào) 節(jié)器移相電路保護(hù)電路驅(qū)動電路 功率回路輸出反饋電壓反饋電流 圖 42 控制部分的結(jié)構(gòu)框圖 與反饋信號 IF 相減形成誤差信號 Δ I，再通過比例積分器使 PWM 信號發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān) 參考電壓 UR與反饋電壓 UF通過判別器的比較，產(chǎn)生電流值的給定信號 I*G。 I*G信號，功率控制回路調(diào)整輸出電壓的大小，使負(fù)載電流為一恒定值。 為保證系統(tǒng)正常工作，使系統(tǒng)能在異常或故障情況下停止功率電路的工作 ，避免元件或負(fù)載損壞，系統(tǒng)中設(shè)置有保護(hù)電路。下面對控制系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)加以說明。 PWM 信號的產(chǎn)生 PWM 信號的產(chǎn)生是開關(guān)信號產(chǎn)生的基礎(chǔ)，系統(tǒng)采用了 PWM 集成控制電路 TL494，其引腳功能及內(nèi)部電路原理框圖如圖 43 及圖 44 所示。 34 反饋延時誤差放大 {輸出控制 圖 43 TL494引腳圖 ≥≥≥震蕩器延時控制比較器脈沖控制調(diào)節(jié)器誤差放大反饋基準(zhǔn)發(fā)生器PWM 比較器圖 44 TL494原理圖 系統(tǒng)中， TL494 的連接如圖 45 所示。 35 R62R61 IgIfC20R64C21R65 V（ UR）+V CCPW M1PW M2R72R70+V ccC23C22R63R66 圖 45 TL494接線圖 現(xiàn)對其接線作以下幾點(diǎn)說明。 5 腳、 6 腳分別接電阻 RT、電容 CT，以組成震蕩電路，產(chǎn)生一定頻率的鋸齒波，震蕩頻率為 f=*CT 系統(tǒng)的開關(guān)頻率為 25kHz,考慮到后面開關(guān)信號通路上經(jīng)過二分頻，故 TL494 內(nèi)部震蕩頻率為 50kHz。故取 Cr= F， RT=（ 50*103**106） Ω =。 R6 C21串聯(lián)于 2 腳和 3腳之間，構(gòu)成了 PI調(diào)節(jié)器的主要部分 —— 比例積分放大器。 R64為泄放電阻，數(shù)值為幾兆歐。由于只用到 一個放大器，故將 15腳接 UR=， 16 腳接地，使誤差放大器 2 不起作用。 兩個三極管的輸出相同。三極管為射極跟隨器接法，故射極信號與基極信號相同。實(shí)驗(yàn)中測量 TL494 的 6 腳輸出的鋸齒波和 9腳的 PWM 信號，其輸出如圖 46所示。 36 鋸齒波tt矩形波 圖 46 PWM信號 移相及互鎖電路 PWM 信號產(chǎn)生后還不能直接作為開關(guān)信號，只有經(jīng)過移相電路處理后方能使用。移相電路如圖 47 所示。 PWM40 31DC1QC140 49CL K2PW M1PW M2PW M3PW M4(Q 1)(Q 2)(Q 3)(Q 4)C27C28C29R78R77R7640 4940 49D QR75 C26圖 47 移相電路 37 D 觸發(fā)器 4013 接成一個二分頻器，而 4049 反相器與另一個觸發(fā)器組成了移相電路。 電路波形如圖 48。 PWMCLK2MN 圖 48 移相電路波形 在圖 47 中，用兩個 RC 電路、兩個與非門組成一個互鎖電路的作用是防止橋臂支路的開關(guān)管同時導(dǎo)通、燒毀開關(guān)元件。 實(shí)現(xiàn)互鎖功能要 RC 阻容的延時特性，如圖 49 所示。 MAQ1Q2 圖 49 互鎖電路 Q1 Q2為同一支臂的兩個開關(guān)信號， M 為開關(guān)脈沖，當(dāng) M 上升沿 到達(dá)后，對電容充電， 38 只有當(dāng) A 點(diǎn)的電壓上升至與非門的開門電平時，與非門的輸出電平才會由高變低，這樣，與非門的輸出信號與輸人信號 M 之間就產(chǎn)生了延時。 接入互鎖電路后，同一支臂的兩個開關(guān)信號的上升沿和下降沿之間有一個小的時差，調(diào)整 R、 C 值，可調(diào)整時差的大小。這樣同一支臂的兩個開關(guān)管不會同時導(dǎo)通了。 開關(guān)信號的產(chǎn)生 軟開關(guān)信號應(yīng)是一個與開關(guān)信號同步的具有一定脈寬的方波信號，系統(tǒng)采用4098 集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 (如圖 410)完成這個要求。 409 8CXTR+TRRDRXVccRC21452Vcc10K67 圖 410 4098集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 4098 共有 8 個引腳用 DIP 封裝，其主要引腳功能為： CX：引腳 1（ 15），定時電容輸入端 RX：引腳 2（ 14），定時電阻輸入端 RD：引腳 3（ 13），復(fù)位控制端，一般接高電平 TR+：引腳 4（ 12），脈沖上升沿有效輸入端 TR：引腳 5（ 11），脈沖下降沿有效輸入端 Q：引腳 6（ 10）， 正弦脈沖輸出端 39 Q 非：引腳 7（ 9），負(fù)脈沖信號輸出端 恒流控制電路的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)控制采用多級恒流控制，要做到恒流就必須采用電流反饋閉環(huán)控制。恒流控制電路的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)控制采用多級恒流控制，要做到恒流就必須采用電流反饋閉環(huán)控制， 如圖 411所示。 I/REBP WMPI調(diào) 節(jié)器Ig39。Ifa 圖 411 電流閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖 圖中 EBPWM 為 DC/DC 變化器的傳遞函數(shù)， α 為電流反饋系數(shù) I*G為電流給定值。下面對有關(guān)部分加以說明。 在充電的不同階段，要通過對電池端電壓的測量，選擇不同的電流給定值 I*G，從而實(shí)現(xiàn)以不同的電流進(jìn)行充電。多級電流給定電路如圖 412 所示。 40 圖 412 多級電流給定電路 圖 412 所示電路工作原理如下所述。通過對參考電壓 UR()進(jìn)行比例放大，產(chǎn)生 UREF 。 反饋電壓 UF 和 UREF 相減后放大，產(chǎn)生對晶體三極管的驅(qū)動信號 ，DZ1(10V),DZ2(5V)和 DZ3(1V)為穩(wěn)壓值不同的穩(wěn)壓管。在充電開始時，電池端電壓比較小， UF較小，這時 UFUREF1UREF2,所以三極管 T1,T2不導(dǎo)通， UZ=UZ1。 隨著充電的進(jìn)行，電池端電壓上升到 UF UREF1后， T1 導(dǎo)通，當(dāng)（ UCE1＋ UZ2） UZ1開始導(dǎo)通， UZ≈ UZ2， 這樣就完成了一級電流給定值的變換。 依同樣道理，當(dāng) UF繼續(xù)升高到大于 UREF2時， UZ3開始起作用， UZ≈ UZ3，完成第二級電流給定值的變換 控制電路中形成反饋電壓，反饋電流的電路如圖 413 所示。 41 (a)反饋 電壓 (b)反饋 電流 圖 413 反饋電壓 .電流 反饋電壓通過電阻對輸出電壓分壓得到。輸出電流的檢測是由電流互感器完成的。因電流互感器的輸出信號太弱，故需經(jīng)放大后再與給定信號相減，如圖 414 所示。 Ig39。IfR1R2 Uo 圖 414 反饋信號與給定信號相減 若取 R1=R2=R3,則 *0 ( ) / 2GFU I I R?? 調(diào)節(jié)器電路的設(shè)計(jì) 調(diào)節(jié)器的作用是將給定量和反饋量進(jìn)行比較和運(yùn)算，得到控制量。調(diào)節(jié)器的核心是運(yùn)算放大器，多數(shù) PWM 控制器內(nèi)部都含有運(yùn)算放大器，可以構(gòu)成調(diào)節(jié)器，但是有時其性能難以滿足要求，這時可以選用合適的集成運(yùn)算放大器構(gòu)成調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器的類型可 42 以采用比例積分（ PI）或比例積分微分（ PID），但是很少采用比例（ P）控制，因?yàn)楸壤{(diào)節(jié)器構(gòu)成 的系統(tǒng)不是穩(wěn)態(tài)無差的。調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計(jì)可以頻域法，利用開環(huán)系統(tǒng)伯德圖來進(jìn)行。值得注意的是，調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)是在系統(tǒng)參數(shù)固定的前提下進(jìn)行的，但是電源在實(shí)際運(yùn)行中很多參數(shù)是變換的，尤其是負(fù)載，突出變化很大。因?yàn)樨?fù)載阻抗是調(diào)節(jié)對象的參數(shù)之一，所以它的變化對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性影響很大，這就要求調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)要有充分的容差性，尤其的穩(wěn)定裕量應(yīng)足夠大，以免系統(tǒng)在運(yùn)行中突然發(fā)散或振蕩。造成電源損壞或危及負(fù)載的安全。 PI 調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計(jì)包括穩(wěn)態(tài)和動態(tài)兩個方面 在穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)時，為了使穩(wěn)態(tài)無凈差，比例積分器放大倍數(shù) K 應(yīng)盡量大