基于FPGA的船用開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

山東省青島第二中學(xué)　邱音良

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基于FPGA的船用開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

山東省青島第二中學(xué)邱音良

【摘要】由于目前船舶上的設(shè)備，如北斗導(dǎo)航、探魚儀等儀器一般都由蓄電池供電，但是電壓等級最大為12V。而蓄電池充滿電時(shí)電壓會達(dá)到14.7V，會燒壞用電設(shè)備。本文設(shè)計(jì)的開關(guān)電源是專門為船電電壓為直流電壓的船舶而設(shè)計(jì)的船用電源。它將直流15～48V電壓轉(zhuǎn)換成直流12V電壓取代蓄電池為北斗導(dǎo)航、探魚儀供電。

【關(guān)鍵詞】FPGA；DC-DC 變換器；數(shù)字脈寬調(diào)制(DPWM)

1　引言

電源是各類電子設(shè)備的重要組成部分，開關(guān)電源被譽(yù)為高效節(jié)能型電源。開關(guān)電源技術(shù)作為電源電壓變換的新技術(shù)，由于變換方式簡單，成本低，體積小、重量輕、輸出電壓易于調(diào)整等，開關(guān)電源的應(yīng)用越來越多

本文設(shè)計(jì)的開關(guān)電源是專門為船電電壓為直流電壓的船舶而設(shè)計(jì)的船用電源。它為各種電子器件提供工作電流，其供電性能將會對船用電子裝置的工作總時(shí)長及性能帶來很大的影響。由于目前船舶上的設(shè)備，如北斗導(dǎo)航、探魚儀等儀器一般都由蓄電池供電，但是電壓等級最大為12V。而蓄電池充滿電時(shí)電壓會達(dá)到14.7V，會燒壞用電設(shè)備。本文設(shè)計(jì)的開關(guān)電源是專門為船電電壓為直流電壓的船舶而設(shè)計(jì)的船用電源。它將直流15-48V電壓轉(zhuǎn)換成直流12V電壓取代蓄電池為北斗導(dǎo)航、探魚儀供電。本文研究的船用數(shù)字開關(guān)電源控制器具有一定的實(shí)際意義。

2　系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)電源為QD-SZ2412 開關(guān)電源，主要適用于大功率DC/DC電源變換場合，可以作為更大功率的需求，總體設(shè)計(jì)方案在整個(gè)高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中處于重要位置,因此,結(jié)合設(shè)計(jì)技術(shù)要求，根據(jù)開關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)提出合理的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)使系統(tǒng)各個(gè)部分能夠協(xié)調(diào)工作。

圖1　開關(guān)電源原理圖

2.1開關(guān)電源原理圖

開關(guān)穩(wěn)壓電路中擁有換能模塊，可以實(shí)現(xiàn)直流信號向脈沖信號的轉(zhuǎn)換過程，接著將產(chǎn)生的脈沖信號通過LC濾波器的處理轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘?，開關(guān)電源如圖1所示電路中，輸入電壓Ui屬于直流信號，并且尚未經(jīng)過穩(wěn)壓處理；晶體管T屬于調(diào)整管，也被叫做開關(guān)管，電感L和電容C組成濾波電路，D為續(xù)流二極管，輸出電壓U0。

2.2技術(shù)要求

QD-SZ2412開關(guān)電源用于大功率DC/DC電源變換場合，主要做為安全工作電壓范圍內(nèi)的應(yīng)用，本電源可以單獨(dú)配置，也可做冗余配置，具有并聯(lián)工作模式，可以作為更大功率的需求，也可以確保在一塊電源插件出現(xiàn)故障時(shí)裝置仍能正常工作。

2.3主電路結(jié)構(gòu)

本文研制的12V/200A高頻船用開關(guān)電源，其功率功能組件包含有：高頻變壓器、輸出整流濾波電路、輸入整流電路等，上述功能組件中前兩種綜合起來又被統(tǒng)稱為DC/DC變換器。

2.3.1單端反激電路

作為反激式開關(guān)電源的關(guān)鍵部件反激式直流-直流變換器，在電源系統(tǒng)中起著重要的作用，其內(nèi)部的電路如圖2所示。該類型電路通常應(yīng)用于功率不大的電源系統(tǒng)中或開關(guān)電源的部分輔助控制電源中。它能夠提供最高為100%的占空比。

圖2　直流變換器

2.3.2單端正激電路

作為正激式開關(guān)電源的關(guān)鍵部件正激式直流-直流變換器，在電源系統(tǒng)中起著重要的作用，其內(nèi)部的電路見圖3。該種類型變壓器的功效效率很高，運(yùn)行時(shí)所需占空比低于50%，運(yùn)行頻率一般是振蕩頻率的1/2，控制芯片通常使用的型號是UC3844與UC3845。可應(yīng)用于中等功率的電源系統(tǒng)中，若采用雙管電路形式，能夠進(jìn)一步提高其功率。一般情況下，功率變壓器是不需要開氣隙的，但通常需要在其中增添除磁繞組，在關(guān)閉同時(shí)將副邊信號傳遞至輸入端。

圖3　正激電路原理圖

2.3.3推挽電路

圖4中給出了推挽式功率變換電路原理圖。該電路中輸入電壓值不高，其中包含的兩個(gè)開關(guān)管所能承受的極值電壓通常是輸入的2倍，由此多數(shù)應(yīng)用于DC/ DC電源內(nèi)。該電路通常使用于中等功率電路中，其中變壓器需要進(jìn)行雙向激勵，具有較高運(yùn)行功效，可是其中經(jīng)常出現(xiàn)磁偏問題。和正激電路相比，它的功率要高一些，可是卻含有開關(guān)管“直通”隱患。在運(yùn)行過程中，開關(guān)管V1、V2順次導(dǎo)通或斷開。當(dāng)二者都處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，W1與W2中會導(dǎo)入工作電流，此時(shí)變換器次級可以輸出功率。若前者導(dǎo)通，后者關(guān)閉時(shí)，V2集—射兩端將會出現(xiàn)值為2*Uin的壓差，當(dāng)二者都處在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，其周圍的電壓為Uin。

圖4　推挽式功率變換電路原理圖

2.3.4半橋拓?fù)?/p>

半橋電路擁有2個(gè)功率開關(guān)管，再借助2個(gè)相互串聯(lián)的電容器來組建回路，通過上述開關(guān)管的順次導(dǎo)通帶動高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電信號的傳輸，其中變壓器屬于雙向激勵類型。該電路中也存在磁偏缺陷，也可能出現(xiàn)“直通”現(xiàn)象。但是在為變壓器提供相同的運(yùn)行條件時(shí)，半橋能夠比推挽電路輸出更大的功率。如圖5所示。C1與C2的功能是確保電路的靜態(tài)分壓，即Ua=1/2Uin。當(dāng)V1導(dǎo)通，V2關(guān)閉時(shí)，輸入電流流向如圖虛線所示，由此C2處于充電狀態(tài)，此外此時(shí)V2輸入輸出端電勢差為輸入電壓Uin；反之，當(dāng)V1關(guān)閉，V2導(dǎo)通時(shí)，輸入電流流向如圖實(shí)現(xiàn)所示，由此C1處于充電狀態(tài)。

圖5　半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

上述幾種電源的共有特征是：包含有高頻變壓器，直流穩(wěn)壓功能是由變壓器次級繞組高頻脈沖電壓整流濾波提供的。變壓器中輸入輸出電壓兩側(cè)是分隔開來的，或者是局部分隔，輸入電壓來源于對交流市電進(jìn)行整流后獲得的直流高壓電。

2.3.5全橋拓?fù)?/p>

全橋電路通常應(yīng)用于功率較大的電路中，其中擁有由4個(gè)開關(guān)管構(gòu)成的2個(gè)橋臂。橋臂各自同激勵高頻功率變壓器相連同，從而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，可是有可能出現(xiàn)“直通”現(xiàn)象。該電路組成圖見圖6，其中含有4個(gè)開關(guān)管，即V1～V4，變壓器T處于橋臂中間位置，起連接作用，對應(yīng)的開關(guān)器件被劃分為兩組，即V1、V4與V2、V3，兩組器件順次導(dǎo)通或關(guān)閉，驅(qū)動T的次級輸出電壓。當(dāng)?shù)谝唤M器件處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，另外一組則關(guān)閉，此時(shí)V2與V3兩端電勢差為Uin。在器件關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)的尖峰電壓通過電路中二級管的作用箝位于Uin。

圖6　全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.4控制電路結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)過程中采用的FPGA型號為EP2C8Q208C8，它的價(jià)格相對較低，但是性能比較出色，屬于Altera企業(yè)制造的Cyclone II代FPGA?？刂齐娐分饕≒WM脈沖波及驅(qū)動電路、采樣電路、保護(hù)電路、人機(jī)界面、PFC模塊。

發(fā)出PWM脈沖的電路在受到驅(qū)動電路放大后，能夠?qū)β蕟卧妮敵鲞M(jìn)行控制；采樣電路能夠及時(shí)收集主線路中的輸出電壓與電流信號，從而實(shí)現(xiàn)對電源運(yùn)行狀況的及時(shí)監(jiān)控；此外還包括各種保護(hù)電路，通過它們可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電源的運(yùn)行狀況，構(gòu)建面向電源的保護(hù)體系；人機(jī)交互界面可以有效地監(jiān)控電源的工作狀態(tài),上位機(jī)通信電路能夠使電源實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。

結(jié)合開關(guān)電源的技術(shù)要求，控制電路采用目前應(yīng)用廣泛的UC3854控制芯片，它的16管腳按照設(shè)計(jì)需求產(chǎn)生擁有固定占空比的連續(xù)脈沖信號從而實(shí)現(xiàn)控制主線路中開關(guān)晶體管的導(dǎo)通與關(guān)閉，進(jìn)而能夠在一定范圍內(nèi)改變輸入電流與電壓的相位角，使其達(dá)到一致，最后實(shí)現(xiàn)對功率因數(shù)的修正。

2.5PID控制方法

數(shù)字信號處理器很大程度上促進(jìn)了數(shù)字控制模式在實(shí)際應(yīng)用中的使用，其中有很多形式的控制模式，例如PID、模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、無差別等類型控制模式。在具體生產(chǎn)實(shí)踐中，使用十分普遍的調(diào)節(jié)其控制方式是基于比例、積分及微分的控制，又被叫做PID控制或調(diào)節(jié)。以下對現(xiàn)在普遍使用的兩種數(shù)字控制模式進(jìn)行簡述。

（1）過去使用的PID控制器是基于受控主體精確的數(shù)字模型而工作的。但在應(yīng)用中，電源的影響因素種類繁多，使得上述模型的建立很難實(shí)現(xiàn)。上述問題可以通過模糊控制解決，該方法主要針對多參數(shù)、非線性、多因素的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，操作經(jīng)驗(yàn)豐富的員工可以依照持久的工作經(jīng)歷進(jìn)行合理地控制。該方法優(yōu)點(diǎn)是：無需建立精確模型，即可按照系統(tǒng)的輸入輸出相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)參考工人的實(shí)操經(jīng)驗(yàn)，就能夠?qū)崿F(xiàn)針對系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。從理論層次出發(fā)，該方法能夠以任意精度水平逼近任何非線性函數(shù)，可由于相關(guān)領(lǐng)域研究尚不充分，模糊變量分檔和函數(shù)的建立尚未擁有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的體系來對其進(jìn)行規(guī)范，由此，仍需要在該領(lǐng)域投入大量的研發(fā)精力。

（2）數(shù)字PID控制方式一經(jīng)推出，使得上述問題得到了有效解決，開關(guān)電源PID控制中針對實(shí)際問題能夠快速集成多種多樣的補(bǔ)償及控制方式，同時(shí)能夠很容易實(shí)現(xiàn)控制器變量值的配置。PID算法現(xiàn)已成功解決了眾多控制方面難題，它是由微機(jī)、單片機(jī)等芯片實(shí)現(xiàn)的，其軟件的應(yīng)用較為靈活。PID算法具有多樣性，不同的使用環(huán)境針對算法的需求也是不一致的。

從上述內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，過去的開關(guān)電源大多數(shù)使用模擬PID控制方式，在該方式前提下，設(shè)計(jì)出與之相匹配的硬件電路是不容易實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)還會使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，調(diào)整變量較難整定。因?yàn)楦哳l開關(guān)電源系統(tǒng)帶有非線性特性，所以針對其構(gòu)建精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型是不現(xiàn)實(shí)的，還需要系統(tǒng)擁有較強(qiáng)的魯棒性，此外還應(yīng)具有較高的一致性、穩(wěn)定性與易調(diào)整性，基于以上幾點(diǎn)，系統(tǒng)控制方式采用數(shù)字PID模式。

3　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過上述分析，根據(jù)船用開關(guān)電源的技術(shù)要求，該方案主要由PWM控制模塊、開關(guān)管、濾波電路等模塊構(gòu)成，通過上述模塊的有效組合形成了功能完善的高頻開關(guān)電源系統(tǒng)，輸入電壓信號通過上述模塊的處理與轉(zhuǎn)換后，能夠確保輸出端對外持續(xù)提供12V穩(wěn)值直流電壓。設(shè)計(jì)框圖7如下所示：

圖7　電源設(shè)計(jì)原理圖

圖8　EMI整流電路

3.1EMI模塊

在開關(guān)電源輸入端設(shè)置有EMI濾波器，它屬于雙向?yàn)V波范疇，主要有電容及電感元件組成，提供低通濾波功能，不僅能濾除由交流電源帶入的外界無用電磁信號，還能夠有效抑制裝置自身向外界傳遞噪聲型號，該模塊電路圖如圖8所示。

3.2電源模塊

因?yàn)镕PGA中需要用到幅值為3.3V與1.2V直流電源，上述電源分別是由外部電壓為5V的直流源通過型號為LM1117-3.3與LM1117-1.2芯片轉(zhuǎn)變獲得的，電路如圖9所示。

圖9　電源模塊

3.3驅(qū)動電路

FPGA輸出信號是幅值為3.3V的CMOS電平，如果電壓值過小，可能無法正常驅(qū)動IGBT或MOSFET管，電壓必須通過隔離與功放電路處理后才可有效驅(qū)動功率開關(guān)管，驅(qū)動電路對電源有著十分明顯的影響，其提供的脈沖電壓幅值及波形的起伏趨勢都會對晶體管的部分參數(shù)造成一定程度的影響，其中含有飽和壓降、存儲時(shí)長、開關(guān)瞬時(shí)性能等，驅(qū)動電路如圖10所示。

圖10　驅(qū)動電路原理圖

此外，驅(qū)動電路還會影響到驅(qū)動電壓的工作性能，若設(shè)計(jì)考慮不周全，就會使得功率管內(nèi)的發(fā)熱功率迅速增加。開發(fā)系統(tǒng)中選用的IGBT管的驅(qū)動電路應(yīng)符合下列要求：

（1）因IGBT是電壓型控制器件，它會限定柵-射極的電壓信號幅值大小，此外旨在避免其出現(xiàn)誤導(dǎo)通現(xiàn)象，還需要確保其擁有給定幅值關(guān)斷負(fù)壓；

（2）要對驅(qū)動電路的輸入及輸出電壓進(jìn)行隔離處理；

（3）驅(qū)動信號的“開路脈沖”斜率要大；

（4）為避免柵-射極兩端因?yàn)轵?qū)動信號Vgs電壓值超過其可承受范圍而造成的擊穿問題，應(yīng)該在其中以串聯(lián)形式接入2個(gè)反向擊穿電壓在20V左右的肖特基二極管。

（5）驅(qū)動電路常用的隔離方法有兩種即變壓器及光稱隔離，其中后者被應(yīng)用于本次開發(fā)的系統(tǒng)中，選取高速光偶6N137隔離控制、驅(qū)動電路，經(jīng)過放大電路作用后光偶輸出電壓得到放大，并在柵極中串接一個(gè)電阻從而實(shí)現(xiàn)對芯片輸出信號上下沿的調(diào)整與控制。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)涉及的全部邏輯控制功能都是由FPGA提供的，將QuartusII 11.0用于FPGA開發(fā)，用ModelSim 6.5e實(shí)現(xiàn)電路仿真，編程選擇Verilog HDL語言。

雖然Verilog在語法定義方面同C語言非常類似，可是兩者的編程思維模式是完全不一樣的：Verilog代碼在FPGA中是并行執(zhí)行的，這和C語言的串行方式是截然不同的；Verilog屬于面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，其在描述電路時(shí)，需要確保其語法程序同電路圖相對應(yīng)，而C的編寫是面向過程的，和實(shí)際電路不具有對應(yīng)關(guān)聯(lián)，只要是遵守語法準(zhǔn)則的代碼都可實(shí)現(xiàn)編譯，進(jìn)而獲得匯編程序或機(jī)器語言并通過CPU獲得運(yùn)行。

FPGA數(shù)字控制器含有模塊為：采集與濾波、ZVZCS數(shù)字PWM驅(qū)動波的發(fā)出、與上位機(jī)通信模塊、保護(hù)及狀態(tài)顯示監(jiān)控、數(shù)字補(bǔ)償器。電源系統(tǒng)FPGA程序框圖如圖11所示。

圖11　電源系統(tǒng)FPGA程序框圖

5　電路板可靠設(shè)計(jì)

如今，進(jìn)行開關(guān)電源設(shè)計(jì)過程中，一個(gè)不得不考慮的問題就是功率開關(guān)管在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)通與關(guān)斷操作時(shí)出現(xiàn)的電磁干擾。與此同時(shí)，進(jìn)行高速電路板設(shè)計(jì)過程中，一個(gè)不得不面對的難題是確保信號完整可靠。

在參照原理圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)過程中，對印刷電路板(PCB)進(jìn)行科學(xué)合理的研制是不可或缺的重要步驟。若PCB設(shè)計(jì)得當(dāng)，布局得體，一方面能夠通過最少的支出減少電磁干擾，另一方面，對高速電路來說，可以有效確保其信號不會出現(xiàn)缺失。

對本文研究的電源系統(tǒng)而言，進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)過程中，內(nèi)容涵蓋了控制板的設(shè)計(jì)，驅(qū)動板的安裝，主電路板的布局等若干板塊。進(jìn)行線路布局時(shí)，不得違背這些基準(zhǔn)。

（1）布線時(shí)，線和線間的間距適當(dāng)拉開一些，降低由電容稱合帶來的干擾；

（2）最大程度上減弱器件與大地端口連接的信息強(qiáng)度，并使電源與接地端口間的連線距離最短，減少因?yàn)樵胍魩淼淖杩?；對器件電源與地而言，必須配置相應(yīng)的去親電容，且確保與器件管腳間距最短；

（3）最大程度上確保走線最短，從而減少各電路噪音訊號的傳播；

（4）對高頻信號線進(jìn)行布局工作予以重視。盡可能和能夠發(fā)出高頻噪音的電源線保持最大間距；若部分線路接通的難度十分巨大，則能夠通過“跳線”的方式進(jìn)行接通處理；最大程度上縮小信號環(huán)路范圍，范圍縮小后，其對外界進(jìn)行輻射的程度便會減弱，外部EMI對信號進(jìn)行干擾的可能性便進(jìn)一步降低；

（5）進(jìn)行信號線布線時(shí)，相鄰層禁止進(jìn)行平行走向布線。進(jìn)行垂直或交叉布線，都能夠切實(shí)減少不同電路間信號出現(xiàn)相互干擾的。

進(jìn)行樣機(jī)PCB布局時(shí)，線路布局并非單純地追求把電路板進(jìn)行布通，其一方面要確保信號不缺失，保證電磁能夠相互兼容，且需要采取措施避免信號出現(xiàn)干擾等；另一方面，對電路板的整潔性也有所要求，看起來要相對美觀些。

6　電源散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

從兩方面設(shè)計(jì)散熱模塊，先是計(jì)算了系統(tǒng)中發(fā)熱量較大器件的功率損耗。接著依照計(jì)算數(shù)據(jù)，合理地設(shè)計(jì)散熱結(jié)構(gòu)，并且基于電源額定運(yùn)行狀態(tài)，對散熱模塊的進(jìn)行了相關(guān)仿真。

開發(fā)電源散熱方式為風(fēng)冷，主要是因?yàn)殡娫垂ぷ鞴β始皟?nèi)部元器件損耗較低。由此如果能夠合理的布置散熱通道，分冷方式完全能夠符合系統(tǒng)散熱要求，此外使用風(fēng)冷的電源對于工作環(huán)境的要求較低，移動方便。

基于以上分析，本散熱系統(tǒng)采取風(fēng)冷?；趹?yīng)用環(huán)境出發(fā)，根據(jù)所以器件能耗分布情況，散熱布局為：功率單元箱體內(nèi)布置散熱通道及風(fēng)扇，一共安裝有2個(gè)散熱風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)電源散熱。

7　系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

目前用于系統(tǒng)仿真并且倍受歡迎的軟件有PSPICE、SABER、MATLAB等。MATLAB中SimPowerSystems組件功能完善，MATLAB注重電子器件的外部特性，因此便于其同控制端口連接，使得仿真形式更直觀。由此選取MATLAB實(shí)現(xiàn)仿真。

對開關(guān)電源系統(tǒng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)：選用全橋逆變電路；全波整流通過帶中心抽頭的高頻變壓器實(shí)現(xiàn)；研究了控制策略及硬件設(shè)計(jì)；并對器件的重要參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。基于以上結(jié)果，本章針對已完成的電源開發(fā)方案進(jìn)行仿真，通過建立的仿真模型，對理論方案進(jìn)行驗(yàn)證，基于建立的模型，設(shè)計(jì)出12V/200A的船用開關(guān)電源，測量器件輸出波形，驗(yàn)證方案可行性。

7.1電路模型仿真

根據(jù)散熱方案，計(jì)算器件能耗，由結(jié)果進(jìn)行電源結(jié)構(gòu)布局；接著在布局基礎(chǔ)上，針對電源箱體的開展散熱仿真工作，目的是驗(yàn)證結(jié)構(gòu)布局的有效性?；谇拔牡脑O(shè)計(jì)方案，在MATLAB中建立面向系統(tǒng)的仿真模型，其結(jié)構(gòu)如圖12所示。

7.2結(jié)果分析

基于仿真結(jié)果，及根據(jù)之前系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，最終開發(fā)出200A/12V船用開關(guān)電源。

7.3熱穩(wěn)定性分析

為了檢驗(yàn)散熱方案的有效性及散熱仿真模型與實(shí)際電源系統(tǒng)的吻合程度，測試電源的熱穩(wěn)定性。

測試狀態(tài)：

（1）環(huán)境溫度：25℃；

（2）輸出恒定電流形式：輸出電流及電壓數(shù)值分別是200A及12V；

（3）試驗(yàn)時(shí)長：4h；

（4）試驗(yàn)器材：Fluke紅外溫度測試儀。記錄的數(shù)據(jù)如表1所示：

表1　熱穩(wěn)定性分析表

從上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：電源的所有期間一般在2h之后形成穩(wěn)定狀態(tài)。所有器件工作溫度正常，IGBT溫度最終在12℃附近浮動，變壓器最終在13℃附近浮動，快恢復(fù)二極管最終在18℃附近浮動，以上數(shù)據(jù)很好地證明了散熱方案的有效性及散熱仿真模型與實(shí)際電源系統(tǒng)的吻合程度較高。

圖12　Matlab仿真電路圖

8　結(jié)束語

在前文的設(shè)計(jì)分析前提下，本章對系統(tǒng)電路進(jìn)行了全面的仿真。接著根據(jù)建立模型，開發(fā)出一臺200A/12V船用開關(guān)電源。并且對電源實(shí)物進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)證明了仿真模型同實(shí)際電源系統(tǒng)具有很高的吻合程度。并且對電源做了熱穩(wěn)定性試驗(yàn)，獲得數(shù)據(jù)表明在額定工況下，所有器件的工作溫度正常，由此說明散熱方案是有效的。

本文重點(diǎn)研究了全橋變換器的工作過程，在MATLAB對電源功能電路及散熱體系模型，并對其進(jìn)行了系列仿真，之后開發(fā)出一臺200A/12V風(fēng)冷式開關(guān)電源。

經(jīng)過以上研究獲得了以下結(jié)論：

（1）在開發(fā)環(huán)節(jié)中，全橋變換器的良好性能與開發(fā)方案的正確性得到了驗(yàn)證。

（2）詳細(xì)計(jì)算了電路重要器件的部分參數(shù)，這為電源系統(tǒng)的開發(fā)提供了很重要的參考。

（3）驗(yàn)證了以CyelonellEP2C8Q208C8為核心控制器的數(shù)字控制電路及其對應(yīng)的數(shù)字控制方式能夠更為有效的對電源進(jìn)行控制。

（4）在工作環(huán)境確定前提下，基于設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對散熱通道進(jìn)行了最優(yōu)化布置，并通過仿真驗(yàn)證了散熱系統(tǒng)有效性。接著對開發(fā)電源進(jìn)行了實(shí)物試驗(yàn)，通過在正常工作環(huán)境下，對不同器件達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后的溫度進(jìn)行測量，從而證明了散熱通道的布局是非常合理的。

（5）建立主電路仿真模型，結(jié)果證明了設(shè)計(jì)參數(shù)是非常正確的。

參考文獻(xiàn)

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邱音良（1998-），山東省青島第二中學(xué)學(xué)習(xí)，主要研究方向：現(xiàn)代檢測與控制技術(shù)，積極參加創(chuàng)新活動，承擔(dān)了3D打印機(jī)的制作任務(wù)。

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