一种低压大电流DC/DC变换器的研究
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A c a d e m i c P a p e r s I 暖啜圈融 一种低压大电流D C D C 变换器的研究 Re s e a r c h o n Lo w Vo l t a g e a n d Hi g h Cu r r e n t DC-DC Co n v e r t e r wi t h S y nc hr o no us Re c t i fie r 王 雪 丹 苗 星 雷(黑龙 江科技 学院 电气与信 息工程学院,哈 尔滨 1 5 0 0 2 7)摘要:针对低压大电流 D C D C电源的特点,根据同步整流电路的要求设计了一种倍流同步整流半桥变换器 并分析了其工作原理。通过 p s p i c e 仿真,验证了该拓扑结构的可行性。关键词:低电压大电流 倍流整流D C D C变换器 d o i:l O 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7-0 8 0 X 2 0 0 9 0 9 0 1 2 Ab s t r a c tI n a c c o r d a n c e wi t h t h e l o w-v o l t a g e h i g h c u r r e n t DC DC c o n v e r t e r c h a r a c t e ris t i c s a n d t h e r e q u i r e me n t s o f s y n c h r o n o u s r e c t i f i c a t i o n c i r c ui t,t h i s a r t i c l e ha s d e s i g n e d o n e k i n d o f s y mme t r i c a l h a l f-b rid g e c o n v e r t e r wi t h c u r r e n t-d o u b l e a n d a n a l y z e d i t s p rin c i p l e o f wo r k Th r o u g h t h e ps pi c e s i mu l a t i o n,h a s c o n fir me d t h i s t o p o l o g y f e a s i b i l i t y Ke y wor d s:l o w v o ha g e h i g h-c u r r e n t t i me s t h e flo w r e c t i f i e r DC DC c o n v e rte r s 0引 言 随着微 电子技术 的飞速 发展 集成 电路要求其供 电电路小 体积、低 电压、高效率、大 电流输 出:但 是开关频 率越大损 耗就 越多。同步整流技术 的出现克服 了这个缺 陷。本 文在 同步整流 技术 的基础 上设计 了一种倍 流同步整 流半桥变换 器并分 析 了 其工作原理 最后通过仿真分析验 证了该拓扑结构的可行性,有效减少了整流损耗 1 拓 扑 结 构 对于原边拓扑结构 相对 于升压型变换器来说 降压 型变 换器更 加适合低压大 电流变换器 降压型变换器中反激式 变换 器输出纹波较大 而推挽式 主要应用于输入 电压在 1 2 V以下 的 场合,两者都不适合低压 大电流的要求 半桥式与全桥式相 比 减 少了开关管 的电压应 力 并且 由于少 了两个 开关管成 本更 低 成 为更适合 低压大 电流要求 的离线开关 电源:因此本 设计 选用对称半桥 对 于副边拓扑结构 适 用 于低 压大 电流转换器 的有正激 式、中心抽头式和倍 流整流式 3种 拓扑结构。一个周期 内 3种 拓扑结构整流管 的总损耗按上述顺序分别 为 作者简介:王雪丹博 士,教授。研 究方向为控 制理论。苗 星 雷硕 士。研 究方 向为 电力 电子 装 置。凡=,02 Rd。;=2 ,0 出 D +2(,0)置 d (0 5一 D)T ,=(+D),R =(1+D)I 2R 可以看出正激式 虽结构简单但整流损耗大于 中心抽头式 和倍 流整流式。倍流整流 与中心抽头式整流相 比虽然整流损 耗 相同,但高频变压器的副边绕组不用中心抽头,而大 电流情 况 下中心抽头变压器设计和制作 比较 困难。可见倍流整流器 是结合正激式和 中心抽头式两者优点的新型整流器 对半桥一 倍流拓扑分析,若忽略整流管压降 可得各 时段滤 波 电容 G n 端电流 i ;=tt ;2 t 3 1 c=7;【一 L ft l一-赴io=ott 1。I 3 一 t4,J 2 0 0 9 0 l 机电一体化 6 9 暖圜嘲l A c a d e m i c P a p e r s 在倍流拓扑 中加 电感 与滤波 电容 串联,可得各 时段 滤波电容 端 电流 i :I to-h :(V s Ec-2 V o)I t c ;g-t t t L 3 ,J 十 o tt t 。3 t 4 L3 1 c 了 。一 L 十 二 由上式可见,在滤波 电容旁 串联一 电感,可使 电流纹波 减小为原来的(L+2 L,)L倍,更有效地减小 了电流纹波。综上所述,本文对称半桥一 倍 流拓扑结构见图 1 图 1 倍 流整流 半桥 变换器 拓扑图 2 倍流 同步整流半桥变换器 工作原理 在低压大电流输 出情况下整流二极管 的损耗尤其突 出 开 关频率越大损 耗就越多。理想 的同步整流技术可使 同步整流管 起 到和整流二极管同样的作 用 但 由于 同步整流管压降要小 的 多所 以有效地减少了损耗:于是利用 同步整流管替代整流二极 管构成 了倍流同步整流半桥 变换器 图 2模 式 a 一t a】2 1变 换 器 工作 模 式 假设 电路各处均 为理想状 态 电路 在一个周期 内可分 为 4 个不 同的工作模式。(1)模式 a t o t 】在 t=t 0 时刻,开关管 VQ。导通,P=,2。由于V Q 的导通,VQ 2 的漏源极电压 v =v 。变压器副边电压 为高电平,V Q 的门极也是高电平,V Q 导通。此时,负载的 电流等于。和:两个输 出电感 电流之和,且全部流经 V Q 。(2)模式 b 一 t:】在 t=t。时刻,V Q 关 断。由于变压器漏 感 的存在,电流要 继续维持原来 的方 向;所 以,此 时在变压 器原边 存在两个 回路,一个是 由 c l,构成,另一个是 由 7 O 机电一体化 2 0 0 9 9 图 3模 式 b t l t z l 图 4 模式 e t 2 一t 3 C:,C ,L k 构成。此时,V Q,及 V Q 都处 于导通状态。(3)模式 c 一 3 在 t=t 2 时刻,V Q 导通。V Q 处于关断 状态。变压器原边的电压为负,且等于输 入电压 的一半,即 v。=一,2。相对应 的同步管 V Q 3 导通,所有的负载 电流都会流经 V Q 3。(4)模式 d 屯 一 f 4 在 t=t,时刻,V Q:关 断。原边 的工作原 理 同图 3正好相反,这时,V Q。及 V Q:都处于关断状态。存储在 中的能量对 V Q 输 出结 电容 c o,放电,对 V Q:输 出结电容 C 充 电。变压器原副边的电压都为零,即在理想状况下。此时的 V Q,和 V Q 应 同时导通,减小整流管的损耗。在模式 d t,t 4 -N 重新开始下一个周期 图 5 模式 d t 3 一t d 图 6示出变换器在 理想驱动情况下的工作 波形和时序 2 2 变换 器外 围 电路 工 作 原理 为 了获得接近理想的工作波形 可 以采用 S G 3 5 2 5作为控 制芯片 电路见图 7 S G 3 5 2 5控制 芯片输 出端脚 l 1 和脚 l 4可 以输 出互补信号 同时各加一个反相 器给 出反 相信号、控制开 关 管工作。当 S G 3 5 2 5的 1 4脚为正时,l 1 脚与之相反为 负,此 时 V Q 开通,V Q:关 断,为正;与此 同时,由于反相器 的作 E _ 1 V _ A c a d e mic P a p e r s l 盔 圜圜 0 L 图 6理 想 情 况 下 的 工 作 波 形 用,V Q 3 关断,V Q 4 开通。当 S G 3 5 2 5的 1 4脚为负时,l 1 脚与之相反为正,此时 V Q。关断,V Q:开通,为负;与此同时,由于反相器的作用,V Q 开通,V Q 关断。当 处于死区时段 时 S G 3 5 2 5的信 号输 出端脚 l 1和 1 4输 出都为零,为零,由于反相 器的作用,V Q,、V Q 同 时开通 有效降低了导通损耗。系统采用 电压 闭环负反馈控制,输出 电压 作为 反馈控 制变量 与参考电压 比较,利 用 S G 3 5 2 5控制 芯片放 大得 到 的误差 信号。与锯 齿 波信 号经 P WM 比较器 比较 输出一定占空比的系列脉 冲控制开关管 从 而稳定输 出电压(见图 8)。3仿 真分 析 仿 真参 数:V :3 0 0 V,f=5 0 k Hz,D=0 4,V。=5 V,Po=1 0 0 W,C l=C 2=6 0 0 Ix F,6 3=2 0 tx F,C 4=2 Ix F,6 5=1 0 0 0 tx F,L l=2=3 0 tx H,L 3=1 0 I x H;开关管选用 I R F 2 5 5,RD s=O 2 n,n:2 1 A,D 6 s=2 5 0 V;整理管 选用 I R F 1 4 0 7 L,RD s=0 0 1 Q,D:1 0 0 A,D s s=7 5 V,变压 比=2 6。仿真波形见图 9 图 1 5 可 以看 出,图 1 4中由于加 了 L 1 电感,电流纹波 比较 图 1 3 明显减小。各点仿真波形非常接近理想情况 下的工作波形 验 证 了该拓扑结构的高效性 4结束语 本文研究了一种低压 大电流 D E D C变换器 在分析其 工 作原理的基 础上 给出了相应的仿真结果 验证 了这种变换器 在 图 7同步整流 电路原理 图 图 8 闭环控制原理 图 2 9 9 i 机电一体化 71 岛田圈圜I A c a d e mic P a p e r s 2 5 0 ms 5 0 0 ms 图 l 0 变压器原边电流 图 1 2整流管 VQ,电流 图 1 3 未加 L 3 输出电感 L l 及 L 2 电流 低压大 电流输出的情况下高效性。如果设计 中采用磁集成技术 还可以大幅减小变换器体积 同时变压 器的漏感 还应该尽量地 减小,以减少原边振荡。相信随着对 电源性能要求 的提高,这种 低压大 电流 D C D C变换 器会越来越广泛地被采用。图 l 4加 后 输 出电 感 厶 及 L:电流 图 1 5输出电流 参 考 文 献 1 张 占松,蔡宣三 开关 电源的原理与设计 M 北京:电子工业出版 社 1 9 9 8 2 MA R T Y B R O WN 开关 电源设计指 南 M 徐德 鸿,沈 旭,译 北 京:机械工业 出版社 2 0 0 4 3 陈琪,罗运成,王震 开关电源仿真的应用 J 舰船电子工程,2 o o 3,3(4):1 2 6 1 2 9 4 李金伴,李捷 辉,李捷 明 开关 电源技 术 M 北京:化学工业 出版 社 2 0 0 6 5 P R E D R AG P E J O V I C,Z A R K O J AN D A T h r e e-p h a s e R e c t i fi e r s t h a t A p p l y O p t i ma l C u r r e n t I n j e c t i o n J I E E E T R AN S A C T I O N S O N A E R O S P A C E A ND E L E C T R O N I C S Y S T E M,2 0 0 2,3(5):1 6 3-1 7 3 6 王国华,王鸿 麟 便携电子设备电源管理技术 M】西安:电子科技 大学出版社 2 0 0 4 (上接第 6 8页)x 1 伊 2 营。薹-2-4-一 0 0 5 l 1 5 2 2 5 3 8 f,s b f s 图 5采用参数在线辨识算法的跟踪误差和参数收敛 性 参 考 文 献 1 刘金琨 先进 P I D控制及 其 MA T L AB仿真 M 北京:电子1 二 业 出 版社 2 0 0 3 2 MAH A WAN B,L U O Z H E N G-HU A Hi g h-s p e e d h i s h p r e c i s i o n t r a-e k i n g c o n t r o l f o r e l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e d w i n d i n g ma c h i n e s J C o n t rol En g i n e e r i n g P r a c t i c e,2 0 0 1,9(5):5 6 3 5 7 1 7 2 机电一体化 i 2 0 9 3 王宏华 现代控制理论 M 北京:电子工业出社,2 0 0 6 4 j刘胜,彭侠夫,叶瑰昀 现代伺服系统设 计 M 哈尔滨:哈尔滨 T程大学 出版社 2 0 0 1 5 L E E H O S E O N GR o b u s t D i g i t a l T r a c k i n g C o n t r o l l e rs f o r H i g h S p e e d H i g h Ac c u r a c y P o s i t i o n i n g S y s t e m s D B e r k e l e y,U S A:Un i v e r s i t y o f C a l i f o rni a,1 9 9 4
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