一種WEDM用雙管正激交錯並聯結構的DC/DC變換器設計
發布時間:2013-01-09 責任編輯:Lynnjiao
【導讀】本文討論了一種WEDM用雙管正激交錯並聯結構的DC/DC變換器設計方案,其采用並聯結構,功率管工作在同樣頻率下,但輸出電壓頻率提高了一倍。
兩路並聯使得輸出電壓占空比也增加了一倍,其整流側輸出電壓占空比可以在0~1之間變化,提高了電路響應速度;在同樣輸出電流的情況下,整流、續流二極管平均電流減小,有利於選取反向恢複時間更短的快恢複二極管。
WEDM用yong脈mai衝chong電dian源yuan的de作zuo用yong是shi把ba工gong頻pin交jiao流liu電dian流liu轉zhuan換huan成cheng一yi定ding頻pin率lv的de單dan向xiang脈mai衝chong電dian流liu,供gong給gei電dian極ji放fang電dian間jian隙xi所suo需xu要yao的de能neng量liang以yi蝕shi除chu金jin屬shu。本ben文wen提ti出chu的de電dian流liu型xing電dian火huo花hua線xian切qie割ge加jia工gong電dian源yuan前qian級ji電dian路lu恒heng流liu輸shu出chuDC/DC變換器,其電路拓撲采用雙管正激交錯並聯結構,故稱為恒流輸出雙管正激交錯並聯DC/DC變換器。其電壓應力等於電源輸入電壓,通過兩個二極管來構成勵磁電流回路,使能量回饋至電源。
設計方案
主電路結構如圖1所示。M1、M2、D1、D2構成一路雙管正激電路,M3、M4、D3、D4構成另一路雙管正激電路,D5、D6分別為兩路雙管正激電路的整流二極管,D7為續流二極管,L為輸出濾波電感,C1、C2分別為輸入、輸出濾波電容。
DC/DC變換器設計的最中心工作就是設計高頻變壓器。下麵僅介紹高頻脈衝變壓器、輸出濾波電感的設計,最後介紹計算輸入電路、控製部分。

圖1:恒流輸出雙管正激交錯並聯DC/DC變換器
高頻脈衝變壓器的設計
①脈衝變壓器原副邊匝比N的確定
為(wei)了(le)滿(man)足(zu)在(zai)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)變(bian)化(hua)範(fan)圍(wei)內(nei)都(dou)能(neng)夠(gou)得(de)到(dao)所(suo)要(yao)求(qiu)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu),高(gao)頻(pin)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)變(bian)比(bi)應(ying)按(an)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)最(zui)低(di),輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)最(zui)大(da)情(qing)況(kuang)來(lai)選(xuan)擇(ze)。此(ci)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia),變(bian)換(huan)器(qi)工(gong)作(zuo)在(zai)最(zui)大(da)占(zhan)空(kong)比(bi)狀(zhuang)態(tai),且(qie)電(dian)源(yuan)工(gong)作(zuo)在(zai)放(fang)電(dian)周(zhou)期(qi)裏(li)。
設單路前級變換器的開關頻率為fs,開關周期T=1/fs,取最大占空比DMAX=0.45,則單路開關管最大導通時間為Tonmax=DmaxT。
②確定繞組線徑
60A/25V樣機,流過副邊的電流有效值為:
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動,變壓器副邊電流峰值為:Ismax=IL=60A。原邊電流幅值為:Ipmax=Ismax+Iμ。
其中,Ismax為副邊電流峰值折算到原邊所得的電流值。Iμ為磁化電流,取Iμ=5%Ismax,則:
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標稱直徑0.6mm(麵積為0.283mm2)的漆包線,7股並繞,則原邊實際導線總麵積為:
Sμ1=7×0.283=1.981mm2
副邊用厚0.4mm、寬30mm的紫銅帶繞製。副邊實際導線總麵積為:
Sμ2=0.4×30=12mm2
③ 校核窗口麵積
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合理。
輸出濾波電感的設計
① 輸出濾波電感值的確定
取輸出濾波電感的最大電流脈動量為2%,並設電感電流連續,則△iLon=△iLoff=2%ILav,ILav為電感電流平均值。
實際設計中,取L=25μF。
②繞組線徑為0.467mm
③ 校核窗口:
Kμ=NSμ/Q=(12×15×10-6)/(4.857×10-4)=0.371,能繞下。
輸入電路設計
① 輸入濾波電容設計
輸入濾波電容計算公式為C=I•t/△V。
其中,I為輸入電流,單位為A;t為電容提供電流的時間,單位為S;△V為所允許的峰-峰值紋波電壓,單位為V。對於60A/25V樣機,有:

μF,用三個560μ/400V的電解電容並聯。為了濾除高頻紋波,需再並聯一個小容量的高頻無感電容。
② 功率晶體管的選取
最大漏源電壓:UDSmax=Uinmax =353.5V。
峰值電流:IDSmax=Ipmax=9.69A
yishangjisuanshilixiangjieguo,shijidedianluzhongyouyugaopinbianyaqicunzailougan,huiluzhonghaiyouyinxiandiangan,zaikaiguanguanguanduanshunjianhuiyinqijiaodadedianyajianfeng。yinci,xuanyongkaiguanguanfanxiangnaiyayingliuyouzugoudeyudu。benshejixuanyongIR公司的功率MOSFET IR460。
③ 浪湧電流抑製設計
浪湧電流主要是由濾波電容充電引起的。在開關管開始導通的瞬間,電容對交流電呈現出很低的阻抗。一般情況下,隻是電容的ESR值,而電容性能穩定情況下,該ESR值zhi是shi很hen小xiao的de,從cong而er導dao致zhi浪lang湧yong電dian流liu可ke接jie近jin幾ji百bai安an培pei。所suo以yi設she計ji時shi必bi須xu在zai電dian源yuan的de輸shu入ru端duan采cai取qu一yi些xie限xian流liu措cuo施shi,將jiang浪lang湧yong電dian流liu減jian小xiao到dao允yun許xu的de範fan圍wei之zhi內nei。本ben設she計ji采cai用yong熱re敏min電dian阻zu技ji術shu限xian製zhi浪lang湧yong電dian流liu。選xuan取qu合he適shi的de熱re敏min電dian阻zu,可ke以yi保bao證zheng在zai負fu載zai電dian流liu達da到dao穩wen定ding狀zhuang態tai時shi,熱re敏min電dian阻zu的de阻zu值zhi最zui小xiao。
④ 輸入瞬間電壓保護設計
一般情況下,交流電網上的電壓為115V或230Vzuoyou,danyoushiyehuiyougaoyadejianfengchuxian。rudianwangfujinyoudianganxingkaiguan,baofengyutianqishideleidianxianxiang,doushichanshenggaoyajianfengdeyinsu。suirandianyajianfengchixudeshijianhenduan,danshitaqueyouzugoudenenglianggeikaiguandianyuandeshurulvboqi、開關晶體管等造成致命的損壞。
最通用的抑製幹擾高壓器件是金屬氧化物壓敏電阻 (MOV)瞬(shun)態(tai)電(dian)壓(ya)抑(yi)製(zhi)器(qi)。將(jiang)壓(ya)敏(min)電(dian)阻(zu)並(bing)聯(lian)在(zai)輸(shu)入(ru)交(jiao)流(liu)電(dian)壓(ya)兩(liang)端(duan)。當(dang)高(gao)壓(ya)尖(jian)峰(feng)瞬(shun)間(jian)出(chu)現(xian)在(zai)壓(ya)敏(min)電(dian)阻(zu)兩(liang)端(duan)時(shi),它(ta)的(de)阻(zu)抗(kang)急(ji)劇(ju)減(jian)小(xiao)到(dao)一(yi)個(ge)值(zhi),高(gao)壓(ya)從(cong)其(qi)上(shang)經(jing)過(guo),從(cong)而(er)消(xiao)除(chu)尖(jian)峰(feng)電(dian)壓(ya)使(shi)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)達(da)到(dao)安(an)全(quan)值(zhi)。
控製電路的設計
bianhuanqidekongzhidianlushibianhuanqidezhongyaozuchengbufen,zhijieyingxiangdaobianhuanqidejishuxingneng。yibanjiang,kongzhidianlubaokuotiaoyakongzhihebaohuliangbufen。kongzhidianlubixukaolvdaoruxiayixiejibenyaoqiujigongneng:變換器是一閉環調節係統,所以與一般調節係統一樣,要求控製電路應具有足夠的回路增益,能在允許的輸入電網電壓、fuzaijiwendubianhuafanweinei,shuchudianyawendingdudadaoguidingdejingduyaoqiu,jijingtaijingduzhibiao。tongshi,haibixumanzudongtaipinzhiyaoqiu,ruwendingxingjidongtaixiangyingxingneng。yinci,xuyaojiashidangdexiaozhengwangluohuocaiyongduofankuijishu。yaomanzuhuodeedingdeshuchudianyajitiaojiefanweideyaoqiu。ciwai,haiyingjuyouruanqidonggongnengjiguoya、過流等保護功能。必要時還要求實現控製電路輸出與反饋輸入之間的隔離。
為保持變換器的輸出電壓穩定,通常采用占空比控製技術。改變占空比的調節方式有脈寬調製(PWM)和脈頻調製(PFM)兩種方式。脈寬調製是在工作頻率不變(即工作周期不變)情況下,通過改變晶體管或場效應管導通時間或截止時間來改變占空比,應用較普遍。脈頻調製是采用恒定導通時間、可變截止時間或恒定截止時間、可變導通時間來實現占空比的改變。
guoqu,kongzhidianluzhonggedanyuandianluduocaiyongfenliyuanjianjidanpianjichengkuai。suizheweidianzijishudefazhan,jinnianlaiyiyanzhichugezhongjichengmaikuantiaozhikongzhiqi,zhexiejichengkuaibaohanlekongzhidianludequanbugongneng,zhixujiashaoliangyuanjianjiunengmanzuyaoqiu。zhebujinjianhualeshejijisuan,qiedafududijianshaoleyuanqijianshulianghelianjiehandian,shibianhuanqidekekaoxingdadatigao。
主功率管驅動電路設計
功率MOSFET是(shi)一(yi)種(zhong)電(dian)壓(ya)控(kong)製(zhi)器(qi)件(jian),沒(mei)有(you)少(shao)數(shu)載(zai)流(liu)子(zi)的(de)存(cun)儲(chu)效(xiao)應(ying),輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)高(gao),因(yin)而(er)開(kai)關(guan)速(su)度(du)可(ke)以(yi)很(hen)高(gao),驅(qu)動(dong)功(gong)率(lv)小(xiao)。但(dan)為(wei)了(le)得(de)到(dao)最(zui)佳(jia)控(kong)製(zhi)性(xing)能(neng),需(xu)要(yao)精(jing)心(xin)設(she)計(ji)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)。根(gen)據(ju)要(yao)求(qiu),我(wo)們(men)設(she)計(ji)了(le)如(ru)圖(tu)2所示的驅動電路,該驅動電路采用兩對圖騰柱式推拉驅動。

圖2:主功率管的驅動電路
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