一種可實(shí)現(xiàn)寬范圍電壓輸出的DC-DC變換器設(shè)計(jì)

孫寶文

（廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院，廣東珠海519090）

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一種可實(shí)現(xiàn)寬范圍電壓輸出的DC-DC變換器設(shè)計(jì)

孫寶文*

（廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院，廣東珠海519090）

摘要：提出了一種實(shí)用的可實(shí)現(xiàn)寬范圍電壓輸出的平方型變換器，分析了該變換器工作原理，對(duì)主電路中的功率管、變壓器、二極管、輸出電容和輸出電感等參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)果，制作了變換器，并利用示波器采集了該變換器樣機(jī)重要元器件的工作波形；對(duì)樣機(jī)效率進(jìn)行考察，全負(fù)荷工作效率在80%以上，占空比最大為0.65，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

關(guān)鍵詞：平方型變換器；寬范圍電壓；設(shè)計(jì)；占空比；效率

目前，直流變換器通常都是恒壓或是恒流型的，但在某些特定的場(chǎng)合，DC/DC轉(zhuǎn)換裝置需要適應(yīng)寬范圍的輸入電壓或需要滿(mǎn)足寬范圍輸出電壓的要求，這就意味著該類(lèi)變換器應(yīng)具有較寬的電壓轉(zhuǎn)換比范圍。

在已有的一些文獻(xiàn)中，寬范圍轉(zhuǎn)換的變換器研究成果很多，如RCD復(fù)位雙管正激型DC-DC變換［2］，適用于高壓寬范圍輸入的交錯(cuò)串并聯(lián)正激變換器［1］，交錯(cuò)并聯(lián)Boost-LLC變換器［3］，有源箝位正激變換器［4］等，創(chuàng)新點(diǎn)很多，但已有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路大多較復(fù)雜，成本較高，市場(chǎng)尚無(wú)見(jiàn)到應(yīng)用，實(shí)用性不夠。

基于此種原因，本文設(shè)計(jì)了一種PWM平方型變換器，應(yīng)用在實(shí)際的通信電源中，該變換器的電壓轉(zhuǎn)換比M是占空比D平方的函數(shù)，可以工作在較大的占空比，實(shí)現(xiàn)寬范圍電壓輸出，尤其是在輸入電壓很高時(shí)能夠得到很低輸出電壓，市場(chǎng)效益顯著。

1　雙管隔離式PWM平方型直流變換器的工作原理

本電路為了提高變換器的功率因數(shù)，減小輸入電流的諧波成分，提高開(kāi)關(guān)變換器的轉(zhuǎn)換效率，借鑒文獻(xiàn)［5］的設(shè)計(jì)思路，在PWM平方型變換器實(shí)驗(yàn)裝置之前增加功率因數(shù)校正。經(jīng)過(guò)功率因數(shù)校正級(jí)的輸出電壓高達(dá)400 V，所以選用帶隔離變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，考慮到在400 V輸入的情況下，開(kāi)關(guān)管的電壓峰值Vds高達(dá)800多伏，這么高的電壓幅值對(duì)開(kāi)關(guān)管的耐壓要求很高，為了降低開(kāi)關(guān)管上的電壓應(yīng)力，采用雙管PWM平方型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2所示。

為了分析其工作原理，作如下假設(shè)：

（1）變換器已經(jīng)工作穩(wěn)定；

（2）所有開(kāi)關(guān)器件均為理想器件；

（3）Ll和L2足夠大，在換流過(guò)程中電感電流沒(méi)有變化，相當(dāng)于一個(gè)恒流源。

圖2　主電路主要波形

為了拓寬占空比，該雙管平方型變換器工作在電感電流連續(xù)導(dǎo)通模式，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中可以分為5個(gè)工作模態(tài)，圖2是主電路理想工作情況下的主要波形。

工作模態(tài)1（t0~t1）

在t0時(shí)刻以前，高頻變壓器T1已經(jīng)復(fù)位完畢，每個(gè)開(kāi)關(guān)管承受的電壓為輸入電壓與電感L1上的電壓之和的一半，負(fù)載電流從續(xù)流二極管D3流通。在t0時(shí)刻，開(kāi)關(guān)Q1和Q2同時(shí)獲得觸發(fā)脈沖而開(kāi)通，二極管D1承受正向壓降導(dǎo)通，流過(guò)續(xù)流二極管的電流開(kāi)始向整流二極管D4換流，換流的速度受變壓器的漏感的限制。

在t1時(shí)刻，整流二極管的電流上升到輸出濾波電感電流，換流結(jié)束。在本模態(tài)中，輸入端不向輸出端提供能量。

開(kāi)關(guān)模態(tài)2（t1~t2）

在t1時(shí)刻副邊續(xù)流二極管和整流二極管換流結(jié)束，續(xù)流二極管D3截止，變換器開(kāi)始向負(fù)載傳遞能量，輸入電感和輸出濾波電感中的電流在輸入、輸出電壓的共同作用下線性上升。本模態(tài)一直持續(xù)到t2時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管Ql和Q2同時(shí)關(guān)斷。本模態(tài)持續(xù)時(shí)間由變換器的工作占空比決定。

開(kāi)關(guān)模態(tài)3（t2~t3）

在t2時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管Q1和Q2同時(shí)關(guān)斷，二極管D1承受反壓截止，原邊的箝位二極管D5和D6導(dǎo)通，流過(guò)電感L1的電流經(jīng)續(xù)流二極管D2流通，開(kāi)關(guān)管Ql上電壓為輸入電壓和電感L1上電壓之和，開(kāi)關(guān)管Q2上電壓為輸入電壓，變壓器原邊加上負(fù)電壓，在該負(fù)電壓的作用下，整流二極管D4的電流向續(xù)流二極管D3換流，換流的速度受輸入電壓和變壓器漏感的限制。該模態(tài)持續(xù)到t3時(shí)刻，換流結(jié)束。

開(kāi)關(guān)模態(tài)4（t3~t4）

在t3時(shí)刻，副邊換流結(jié)束，續(xù)流二極管D3流過(guò)負(fù)載電流，整流二極管截止。變壓器通過(guò)箝位二極管D5和D6復(fù)位，本模態(tài)一直持續(xù)到t4時(shí)刻變壓器復(fù)位完畢。

開(kāi)關(guān)模態(tài)5（t4~t5）

在t4時(shí)刻，變壓器復(fù)位完畢，開(kāi)關(guān)管Q1和Q2上的電壓下降到輸入電壓和電感L1上電壓之和的一半。在原邊，電感Ll上的電流通過(guò)續(xù)流二極管D2流通；在副邊，變換器通過(guò)續(xù)流二極管導(dǎo)通負(fù)載電流。本模態(tài)一直持續(xù)到t5時(shí)刻，新的開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始。

2　變換器主電路參數(shù)的選擇與設(shè)計(jì)

當(dāng)PWM平方型變換器工作在不連續(xù)導(dǎo)通模式，電壓轉(zhuǎn)換比是占空比D和負(fù)載電流Iout的函數(shù)。對(duì)應(yīng)相同的占空比D，不連續(xù)導(dǎo)通模式下的電壓轉(zhuǎn)換比要高于連續(xù)導(dǎo)通模式下所對(duì)應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)換比，所以從連續(xù)導(dǎo)通模式向不連續(xù)導(dǎo)通模式的過(guò)渡，就意味著可獲得的最小電壓轉(zhuǎn)換比增大了，也意味著可獲得的電壓轉(zhuǎn)換比的范圍縮小了。因此為了使該平方型變換器有最寬的電壓轉(zhuǎn)換比范圍，在變換器設(shè)計(jì)時(shí)，保證變換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式。變換器設(shè)計(jì)具體指標(biāo)如下：

開(kāi)關(guān)頻率：f=200 kHz

輸入電壓：Vin=400 V

輸出電壓：Vo=12 V~24 V

輸出電流：Io=3.5 A~7.0 A

工作最大占空比：α=0.56

環(huán)境溫度：25℃

允許平均溫升：Δt=25℃

2.1功率管MOSFET的選擇

主開(kāi)關(guān)管功率MOSFET的選擇是變換器設(shè)計(jì)中的重要步驟，它涉及到MOSFET電壓應(yīng)力V（BR）DSS、工作結(jié)溫Tj、電流等級(jí)IDSS以及導(dǎo)通電阻Rds（on）的選擇。

在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，考慮變壓器的漏感作用，所以會(huì)出現(xiàn)關(guān)斷的電壓尖峰。一般關(guān)斷時(shí)的電壓不能超過(guò)MOSFET電壓應(yīng)力V（BR）DSS的70%~90%。

如果輸入電壓為400 Vdc，最大占空比為56%時(shí)，對(duì)于雙管PWM平方型變換器的上管電壓應(yīng)力V（BR）DSS必須高于600 V，下管電壓應(yīng)力V（BR）DSS必須高于400 V。

另外，雙管PWM平方型變換器中，次級(jí)峰值電流IP：

所以初級(jí)電流IP=IP/n=7.3/3.3=2.2 A

考慮一定的裕量，電流等級(jí)IDSS必須大于4 A，所以，開(kāi)關(guān)管選擇使用IR公司生產(chǎn)的場(chǎng)效應(yīng)管IRFPE40。

2.2輸出二極管的選擇

輸出二極管D3、D4由于存在反向恢復(fù)時(shí)間的要求，所以設(shè)計(jì)時(shí)需要選快速（Fast Recovery）或者超快速恢復(fù)（Ultra-Fast Recovery）二極管。其具有反向恢復(fù)時(shí)間很短（一般在50 ns左右）、正向?qū)〒p耗小、結(jié)電容小等特點(diǎn)。

根據(jù)半波整流的特點(diǎn)，二極管反向電壓應(yīng)力VRRM要考慮二極管關(guān)斷時(shí)電壓尖峰，取VRRM=200 V，最大導(dǎo)通平均電流If（AV）>8 A。

選擇Vishay公司FEP30DP雙管超快恢復(fù)二極管。其主要技術(shù)參數(shù)如下：

VRRM=200 V，If（AV）=30 A，trr=35 ns，VF=0.9 V

2.3輸出濾波電容的選擇

輸出電容主要是滿(mǎn)足輸出電壓紋波在一定的范圍之內(nèi)，輸出電感的阻抗決定了輸出電流紋波的大小，同樣電容的阻抗決定了輸出電壓紋波的大小。電容的阻抗是由3部分組成，它們是等效電阻（Res）、等效電感（Les）以及電容C。

對(duì)于電感電流連續(xù)工作模式（CCM），電容的容值由電感紋波電流ΔI、開(kāi)關(guān)頻率fs以及輸出紋波電壓ΔU0決定：

式中fs為輸出電感兩端的頻率，等于初級(jí)開(kāi)關(guān)頻率。計(jì)算可知，C≥470 μF，取C=750 μF。

假定電容的容值足夠大，那么電容引起的紋波電流可以忽略不計(jì)，電容等效電阻（Res）必須滿(mǎn)足：

所以要滿(mǎn)足Res<30 hm，根據(jù)上面兩式可以確定輸出電容的容值及類(lèi)型。由于紋波電流通過(guò)Res將引起功率損耗，并將增加電容的工作溫度和減小電容壽命，因此在選擇電容時(shí)盡量選擇Res值小的電容。Les在數(shù)兆赫茲處容易引起振蕩，因此需要選擇ESL小的電容。

2.4輸出濾波電感的選擇

輸出濾波電感中的電流是單一方向流動(dòng)的。流過(guò)繞組的電流具有較大的直流分量，并且疊加一個(gè)較小的交流分量。流過(guò)輸出電感的電流是直流電流和鋸齒波電流ΔI之和，通常ΔI只占負(fù)載電流的5%~10%，也就是說(shuō)，輸出濾波電感必須在直流磁化占主導(dǎo)的情況下工作，為使輸出濾波電感在大電流下不飽和，需要在磁芯中加入氣隙。中小功率可采用環(huán)形鐵粉芯或鐵硅鋁作為磁芯。

（1）電感量Lf計(jì)算

輸出電感工作在連續(xù)模式下（CCM），在初級(jí)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，續(xù)流二極管續(xù)流的過(guò)程中，必須滿(mǎn)足：

其中，ΔToff是二極管續(xù)流持續(xù)時(shí)間，ΔI-為電感的紋波電流，一般情況下，峰峰值電流ΔI不大于滿(mǎn)載電流的20%，所以：ΔI+=ΔI-=5%～10%I0=7%×7 A= 0.49 A，UD為二極管管壓降，取為1 V。

ΔToff=(1-D)×Ts=(1-0.25)×5μs=3.75μs

其中，D為占空比，取為0.25，所以：

取電感量：

（2）磁芯的選擇

輸出電感磁芯一般選擇鐵粉芯（Iron Powder）或者M(jìn)MP磁芯。鐵粉芯結(jié)構(gòu)中有均勻的氣隙，它的初始磁導(dǎo)率很小，一般在100左右。在該P(yáng)WM平方型變換器的設(shè)計(jì)中選擇Micrometals公司T130-26環(huán)形磁芯，T130-26系列。初始相對(duì)磁導(dǎo)率μe=75，AL=81.0+10%nH/N2。

（3）繞線匝數(shù)N

繞線匝數(shù)為：48匝。

2.5Buck級(jí)電路參數(shù)的選擇

對(duì)于電感的參數(shù)設(shè)計(jì)最重要的是電感磁芯的選擇，磁芯選用不易飽和的環(huán)形鐵粉芯磁環(huán)，該磁環(huán)對(duì)應(yīng)的AL=95±10%nH/N2，對(duì)于該功率為80 W 的PWM平方型變換器，當(dāng)工作在連續(xù)導(dǎo)通模式Buck級(jí)電路中所需的電感量為350 μH，根據(jù)式（4）求得需繞制81匝。對(duì)于所需的電容容值是由掉電所需要的保持時(shí)間來(lái)決定的，本電路中儲(chǔ)能電容取為440 V，120 μF。

二極管Dl由于開(kāi)關(guān)頻率較高，同樣也需要采用快速恢復(fù)二極管。根據(jù)雙管PWM平方型變換器的工作原理，電壓VRRM必須大于400 V，電流IF（AV）大于3 A。選擇Philip公司的BYCl0-600超快恢復(fù)二極管。其主要技術(shù)參數(shù)如下：

VRRM=600 V，IF（AV）=10 A，trr=19 ns，VF≤1.8 V

2.6主功率變壓器的設(shè)計(jì)

根據(jù)雙管正激變換器特點(diǎn)，變壓器經(jīng)過(guò)計(jì)算，磁芯結(jié)果參數(shù)如下：

（1）磁芯尺寸：ETD34，磁芯等效截面積：Ae= 97 mm2，變壓器表面積：St=47.843 cm2，線圈平均匝長(zhǎng)：lm=85.4 mm，磁芯窗口面積：Sw=179.08 mm2，窗口寬度：（E-D）/2=（25.6-10.8）/2=7.4 mm，窗口高度H：H=2×12.1=24.2 mm

（2）繞組匝數(shù)的計(jì)算

初級(jí)繞組匝數(shù)：

式中，N1是初級(jí)繞組匝數(shù)，f是工作頻率（Hz），ΔBm是脈沖磁感應(yīng)增量（T），UP1是變壓器初級(jí)輸入電壓幅值（V），Ae是磁芯等效截面積（cm2）。經(jīng)過(guò)計(jì)算，初級(jí)繞組取30匝。

次級(jí)繞組匝數(shù)：

Ni是次級(jí)各繞組匝數(shù)，UPi是次級(jí)各繞組輸出電壓幅值（V），經(jīng)過(guò)計(jì)算，次級(jí)繞組匝數(shù)取9匝，啟動(dòng)繞組匝數(shù)取4匝。

繞制的時(shí)候，原邊繞組采用AWG30的導(dǎo)線，3匝并繞。啟動(dòng)繞組電流非常小，取單匝繞組AWG34的導(dǎo)線，和原邊外層繞組并繞。在繞制過(guò)程中，原邊分為兩個(gè)繞組，繞制在最里層和最外層，每個(gè)繞組15匝；副邊9匝，繞制在兩個(gè)原邊繞組中間，繞線結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　變壓器繞線結(jié)構(gòu)圖

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述的計(jì)算，研制了可實(shí)現(xiàn)寬范圍輸出的雙管隔離式PWM平方型變換器，采集了相關(guān)波形，并對(duì)樣機(jī)的效率進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

3.1考察變換器工作導(dǎo)通模式

圖4是雙管PWM平方型變換器的電感電流波形圖，可以看出，所有二極管的導(dǎo)通和截止都是和開(kāi)關(guān)管保持同步的，所以，開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和電感電流波形變化一致，該變換器是工作在連續(xù)導(dǎo)通模式的。

圖4　工作在連續(xù)導(dǎo)通模式下的電感電流iL1和iL2的波形

3.2變壓器原邊電壓波形分析

圖5是電感Ll電流連續(xù)時(shí)變壓器原邊電壓波形和開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形。由圖可見(jiàn)，當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，加在變壓器原邊的正向電壓為電容Cl上的電壓，約為D×Vin=0.45×400=180 V；當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器的反向磁復(fù)位電壓最高可達(dá)250 V左右，該反向電壓不足以讓磁復(fù)位二極管D5導(dǎo)通，因此變壓器的磁復(fù)位不是通過(guò)磁復(fù)位二極管D5，D6來(lái)完成的，而是通過(guò)電路中開(kāi)關(guān)管自身的結(jié)電容以及變壓器的勵(lì)磁電感、漏感來(lái)完成的。所以變壓器原邊的反向磁復(fù)位電壓沒(méi)有達(dá)到400 V的嵌位電壓，因此在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)兩只開(kāi)關(guān)管的所承受的電壓應(yīng)力也比較小。

圖5　電感Ll電流連續(xù)時(shí)的變壓器原邊電壓波形

3.3開(kāi)關(guān)管Q1和Q2波形分析

圖6是電感Ll電流連續(xù)時(shí)的開(kāi)關(guān)管Vds波形及開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形，其中圖6（a）、圖6（b）分別是MOS?FET管Q1和MOSFET管Q2所對(duì)應(yīng)的Vds波形及開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形。由圖可見(jiàn)，當(dāng)兩管關(guān)斷時(shí)，兩管的管壓降之和為DC／DC級(jí)輸入電壓、電感L1兩端電壓及變壓器原邊的磁復(fù)位電壓之和，待磁復(fù)位完畢后，兩管的管壓降減小為DC／DC級(jí)輸入電壓和電感Ll兩端電壓之和。但是在兩管關(guān)斷期間，兩管所承受的壓降是不均勻的，開(kāi)關(guān)管Q1上的壓降明顯高于開(kāi)關(guān)管Q2上的壓降，這是由于前級(jí)Buck電路的嵌入會(huì)使兩只開(kāi)關(guān)管所承受的電壓應(yīng)力不均衡所導(dǎo)致的。

圖6　電感L1電流連續(xù)時(shí)的開(kāi)關(guān)管Vds波形及開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形

3.4效率分析

研制的樣機(jī)輸出工作電壓范圍在12 V和24 V之間，考慮到輸出電壓越低，表明輸出電壓范圍越大，所以測(cè)試了輸入電壓400 V、輸出電壓為12 V時(shí)不同負(fù)載下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1所示，全負(fù)荷效率在80%以上，在滿(mǎn)載92.4 W輸出的情況下，效率可達(dá)82%，性能穩(wěn)定。

表1　輸出電壓為24 V時(shí)不同負(fù)載下的效率

4　總結(jié)

本文提出了適用于實(shí)現(xiàn)寬范圍電壓輸出的雙管隔離式PWM平方型直流變換器，理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，變換器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）該平方型變換器可工作于在較大的占空比，最大占空比可以大于0.5，易于實(shí)現(xiàn)電路的控制，輸出電壓較穩(wěn)定。

（2）該變換器的工作頻率較高，體積和重量都較小。

（3）電路簡(jiǎn)單，成本低，市場(chǎng)效益好，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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孫寶文（1975-），男，山東平度人，2004年華南理工大學(xué)碩士研究生畢業(yè)，廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院副教授，長(zhǎng)期從事電氣工程技術(shù)研究和實(shí)訓(xùn)教學(xué)工作，bwsun2009@ 163.com。

The Smart Inversion Switch Based on Digital Accelerometer

ZHANG Hongyan1*，PAN Baoqing2，MA Tiehua1

（1.School of Computer and Control Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Beijing Institute of Tracking and Communication Technology，Beijing 100094，China）

Abstract：Inversion switch is the key component of the internal electronic pressure gauge to realize power control and low power consumption，the power-on function is unreliable which occurs many times in shooting range test by using the various types of developed inversion switches. In order to improve the reliability of artillery chamber pres?sure measurement an intelligent inversion switch is designed on using the micro mechanical digital accelerometer. The switch judged power-on conditions according to double judging standards，it has high reliability. Machete ham?mer testing machine is used to test the shock resistance of the inversion switch. The results show that the switch can withstand the most impact acceleration to reach about 45 000 gn. The reliability detecting system is designed which can Simulate actual working environment，the switches can be filtered by the system，in this way，the working reli?ability of inversion switch is improved significantly. The switch also can be applied to other storage test system.

Key words：inversion switch；digital accelerometer；power control；chamber pressure measurement

doi：EEACC：7321；623010.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.016

收稿日期：2014-12-26修改日期：2015-01-24

中圖分類(lèi)號(hào)：TM92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-9490（2016）01-0072-05