一種低壓DC-DC升壓電路的實(shí)現(xiàn)
摘要： 針對(duì)某些特殊場(chǎng)合下需要的低壓直流輸入、高壓直流輸出供電設(shè)備， 提出了一種采用雙端推挽變化原理實(shí)現(xiàn)的低壓DC-DC 升壓變換的電路， 并給出了具體的方案和電路設(shè)計(jì)。對(duì)具體電路元器件的選型， 電路參數(shù)的計(jì)算， 電路的可靠性分析及對(duì)其性能指標(biāo)都進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后結(jié)合當(dāng)今國(guó)際低壓DC-DC 變換技術(shù)現(xiàn)狀， 對(duì)未來電源技術(shù)的做出了一些探討。 0 引言 隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展， 開關(guān)電源技術(shù)也同步得到提高， 現(xiàn)在它已經(jīng)基本取代線性穩(wěn)壓電源， 成為目前最為廣泛使用的直流穩(wěn)壓電源， 這主要是由它的優(yōu)越性能所決定的。開關(guān)穩(wěn)壓電源主要包括AC-DC 和DC-DC 兩部分。 本文主要研究低壓DC-DC 升壓變換電路， 雖然沒有低壓大電流的DC-DC 變換器應(yīng)用那么廣泛， 但由于市場(chǎng)上成熟的DC-DC 電源模塊產(chǎn)品幾乎沒有涉足48V以上輸出電壓領(lǐng)域， 在某些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合， 要求低壓直流輸入、高壓直流輸出（大于48V 電源模塊輸出電壓調(diào)節(jié)的上限值）， 如只有電池供電或直流電機(jī)供電的車載設(shè)備以及部分短波、中長(zhǎng)波發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的功放用電等， 還是有其發(fā)揮作用的空間。 1 低壓DC-DC 升壓電路 本文介紹的低壓DC-DC 升壓電路是某小型化電源產(chǎn)品的局部電路， 由于該電路要求特殊， 沒有可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)， 為此查閱了相關(guān)的技術(shù)資料并進(jìn)行了大量的電路試驗(yàn)。 1.1 主要技術(shù)指標(biāo)與工作原理 （1） 主要技術(shù)指標(biāo)見表1。 表1 主要技術(shù)指標(biāo) （2） 工作原理。本電源采用的雙端推挽電路， 是兩個(gè)單端正激型的合并， 其變壓器工作在第Ⅰ、Ⅲ象限，提高了磁芯的利用率， 其原理框圖如圖1 所示。 雙端推挽DC-DC 變換器的基本電路結(jié)構(gòu)及其工作波形如圖2 所示。開關(guān)管VT1、VT2 在PWM 控制器的控制下交替導(dǎo)通， 將變壓器的初級(jí)電壓和電流傳遞到次級(jí)， 經(jīng)整流濾波后輸出直流電壓， 調(diào)節(jié)VT1、VT2 的導(dǎo)通/截止時(shí)間， 可改變輸出電壓。雙端推挽DC-DC 變換器的輸出電壓可表示為： U0=DUiNs/Np 式中： U0─輸出電壓（V）； Ui─ 輸入電壓（V）； D─整流管的占空比； Np─變壓器初級(jí)匝數(shù)（匝）； Ns─變壓器次級(jí)匝數(shù)（匝）。 1.2 電路參數(shù)設(shè)計(jì) ?。?） 主要元器件的選用。該DC-DC 變換器的主要元器件是脈寬調(diào)制PWM 芯片、變壓器、輸出濾波電感、開關(guān)管和整流管。根據(jù)本電路的特點(diǎn)和電源的輸出要求， PWM 芯片選用的UC2825A, 變壓器選用的EE55 磁芯， 輸出濾波電感選用的4H399 磁環(huán)， 開關(guān)管選用的IXFN180N20, 整流管選用的DSEI2×61-12B。 （2） 電路參數(shù)的計(jì)算。UC2825A 是電壓/電流型PWM 控制器， 輸出峰值電流為2A, 開關(guān)頻率可達(dá)1MHz, 誤差放大器的單位增益帶寬為12MHz, 具有逐個(gè)脈沖電流限制、軟啟動(dòng)和最大占空比可設(shè)置等特點(diǎn)，可用于雙端推挽DC-DC 變換器。其外圍參數(shù)的合理選取和設(shè)計(jì)， 是保證本電路實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。 開關(guān)頻率高， 元器件的開關(guān)損耗大， 影響效率； 開關(guān)頻率低， 不利于小型化。經(jīng)過計(jì)算和試驗(yàn)， 開關(guān)頻率定為25kHz, UC2825A 的頻率設(shè)置用定時(shí)元件電阻和電容分別由下式確定： Rt=3V/10（1-Dmax）；Ct=1.6Dmax/Rtf 式中： Rt─ 定時(shí)電阻（Ω）； Ct─定時(shí)電容（F）； Dmax─ 最大占空比； f─ 開關(guān)頻率（Hz）。 ?。?） 變壓器設(shè)計(jì)。變壓器是DC-DC 變換的重要元件， 主要技術(shù)參數(shù)是初次級(jí)匝數(shù)比（n=Np/Ns） 和初次級(jí)的電感量（Lp, Ls）。變壓器的初級(jí)匝數(shù)和次級(jí)匝數(shù)分別為： Np≥UimaxDmax/2 BmAe Ns= （U0+UF） Np/Uimin Dmax 式中： Uimax─最大輸入電壓（V）； Uimin─ 最小輸入電壓（V）； Bm─ 飽和磁通密度（T）； Ae─磁芯截面積（m2）；UF─整流管正向壓降（V）； U0─ 輸出電壓（V）。[!--empirenews.page--] 輸出部分的設(shè)計(jì)。輸出部分主要是輸出濾波電感L和輸出電容C 構(gòu)成的LC 低通網(wǎng)絡(luò)， 電感量和電容值： L≥（U0+UF（1-Dmin））/△LL C≥△LL/8fU0max 式中： △LL─電感脈動(dòng)電流， 一般取值△LL= （10%~25%; I0max （A）； Dmin─最小占空比； U0max─輸出最大紋波電壓（V）。 ?。?） 開關(guān)管和整流管的選取。開關(guān)管的最大電流Ipmax由下式求得： Ipmax=（I0max+△LL/2） +IMNp/Ns 式中： IM ─勵(lì)磁電流（A）； I0max─ 變壓器最大輸出電流（A）。開關(guān)管耐壓為： UB≥2Ui.整流管的最大峰值電流IFM為： IFM≥Iomax+△LL/2.整流管的反向截止電壓URRM≥2Uimax。 1.3 可靠性設(shè)計(jì) 可靠性設(shè)計(jì)主要是對(duì)電路中的功率元器件進(jìn)行降額設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)。降額設(shè)計(jì)可參照產(chǎn)品使用手冊(cè)， 保證其參數(shù)的合理應(yīng)用， 如電壓、電流參數(shù)的選用留有一定的余量， 這對(duì)可靠性指標(biāo)的保證有很大好處； 熱設(shè)計(jì)可在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用合理有效的措施使電源的溫升降至最低， 提高其可靠性， 而在低溫的環(huán)境下， 對(duì)器件的溫度級(jí)別進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇， 對(duì)電容、磁芯等器件在滿足輸出指標(biāo)的低溫特性問題上也進(jìn)行適當(dāng)?shù)目紤]， 確保電源的可靠工作。 （1） 功率元器件的降額設(shè)計(jì)。由設(shè)計(jì)公式計(jì)算出各元器件的實(shí)際要求數(shù)值， 按降額使用的要求選取元器件。 磁性元件的設(shè)計(jì)： 變壓器和輸出濾波電感是DC-DC變換器的主要發(fā)熱源， 承載著很大的功率， 本電路變壓器選用的EE55 型磁芯， 電感選用的4H399 型磁環(huán)。 整流管： 本電路輸出電壓高、電流較小， 選用高耐壓的快恢復(fù)二極管。其具有很好的開關(guān)特性， 它的正向壓降（UF）隨溫度的升高而降低， 可方便的串、并聯(lián)使用，可降低整流管的導(dǎo)通損耗， 有利于電路的效率。本電路輸出電壓為100V, 輸出電流為10A.因此， 選用快恢復(fù)二極管DSEI2×61-12B. 開關(guān)管： 功率MOSFET 具有開關(guān)速度快、損耗低、驅(qū)動(dòng)電流小、無二次擊穿現(xiàn)象、過載能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)， 廣泛應(yīng)用于高頻開關(guān)電源。當(dāng)輸入電壓為低壓19.2 時(shí)， 流過開關(guān)管的峰值電流取Ip≈72A; 輸入電壓為高壓28.8V 時(shí)， 漏源電壓UDS=2×28.8+U 尖峰（尖峰是變壓器漏感產(chǎn)生的）。 ?。?） 熱設(shè)計(jì)。只有減小熱阻， 提高效率， 才能提高電路的可靠性。電路的發(fā)熱元件主要是開關(guān)管、變壓器、整流管和電感等， 設(shè)計(jì)方面采取的措施包括： ①在散熱器上合理分布熱源， 將上述元器件分開擺放；②功率器件與散熱器的連接面均勻涂抹導(dǎo)熱硅脂， 減少熱阻， 增加熱傳導(dǎo)； ③ 進(jìn)行熱分析計(jì)算和熱設(shè)計(jì)， 確定散熱器的尺寸、風(fēng)機(jī)風(fēng)量的大小及風(fēng)道的設(shè)計(jì)。 1.4 電路試驗(yàn)結(jié)果 通過對(duì)該DC-DC 搭試電路的反復(fù)試驗(yàn)和相關(guān)指標(biāo)測(cè)試， 其結(jié)果基本滿足設(shè)計(jì)要求。電路性能指標(biāo)的測(cè)試數(shù)據(jù)見表2.該電路的主要不足之處在于變換電路和變壓器的漏感處理不理想， 導(dǎo)致初級(jí)MOSFET 上承受的峰值電壓太高， 輸入電壓為高壓28.8V 時(shí)最大可達(dá)150~160V, 采用的RC 吸收電路發(fā)熱嚴(yán)重功耗大， 同時(shí)電路的效率偏低， 需要對(duì)電路進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)。 表2 性能指標(biāo)的測(cè)試數(shù)據(jù) 2 DC-DC 變換技術(shù)的現(xiàn)狀和未來 目前， 電源系統(tǒng)需要的DC-DC 電源模塊越來越多，對(duì)其性能要求越來越高。除去常規(guī)電性能指標(biāo)以外， 對(duì)其體積要求越來越小， 功率密度、轉(zhuǎn)換效率和可靠性要求越來越高。因此， 如何開發(fā)設(shè)計(jì)出更高功率密度、更高轉(zhuǎn)換效率、更低成本、更高性能的DC-DC 轉(zhuǎn)換器始終是電力電子技術(shù)工程師追求的目標(biāo)。下面對(duì)當(dāng)今國(guó)際頂級(jí)DC-DC 產(chǎn)品的實(shí)用技術(shù)、專利技術(shù)和普遍采用的特有技術(shù)作簡(jiǎn)要的介紹， 以供大家分享。 2.1 有源鉗位技術(shù) 有源鉗位技術(shù)是在開關(guān)變換器的功率開關(guān)管上并聯(lián)鉗位電路， 以抑制開關(guān)管上的電壓應(yīng)力， 同時(shí)又使變壓器鐵芯磁通自動(dòng)復(fù)位， 提高磁芯的有效利用率。有源鉗位技術(shù)歷經(jīng)三代， 且都申報(bào)了專利。 2.2 全橋移相ZVS 軟開關(guān)技術(shù) 全橋移相ZVS 軟開關(guān)技術(shù)， 從上世紀(jì)90 年代中期風(fēng)靡中大功率開關(guān)電源領(lǐng)域。該電路拓?fù)浼翱刂萍夹g(shù)在MOSFET 開關(guān)速度還不太理想時(shí)， 對(duì)DC-DC 變換器效率的提升起了很大作用， 然而工程師們也為此付出了一定的代價(jià)。 2.3 同步整流技術(shù) 近年來， 同步整流技術(shù)發(fā)展迅猛， 衍生的復(fù)合電路拓?fù)湫问截S富， 可應(yīng)用于Buck、正激、反激、半橋、推挽、全橋等電路。第一家申請(qǐng)專利是美國(guó)， 它的電路為Buck 加上雙組交互Forward 組合技術(shù)， 其產(chǎn)品可獲得92%以上的轉(zhuǎn)換效率； 第二家申請(qǐng)專利的也是美國(guó)， 它的電路為Buck 加上一組對(duì)稱拓?fù)洌ò霕?、推挽、全橋），其產(chǎn)品可獲得93%的轉(zhuǎn)換效率。 3 結(jié)束語 為適應(yīng)電子產(chǎn)品快速向小型化、便攜式發(fā)展， 要求開關(guān)電源的體積更小、效率更高。同時(shí)， 電源產(chǎn)品需要滿足高功率密度、低壓大電流、高動(dòng)態(tài)性能、輸出電壓種類的多元化、熱切換、可靠性、環(huán)保等更為苛刻的要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)， DC-DC 電源占開關(guān)電源的市場(chǎng)份額已達(dá)30%以上， 占模塊電源的比例更是高達(dá)90%以上， 目前市場(chǎng)上生產(chǎn)的DC-DC 電源產(chǎn)品比較少， 而且應(yīng)用成熟的全橋移相ZVS 軟開關(guān)技術(shù)比較適合于中大功率的開關(guān)電源領(lǐng)域， 對(duì)中小功率的DC-DC 電源領(lǐng)域不太適用，因此需要技術(shù)人員付出更多的努力和心血， 盡快地學(xué)習(xí)和掌握現(xiàn)代先進(jìn)的DC-DC 變換技術(shù)， 增強(qiáng)技術(shù)能力，拓寬產(chǎn)品市場(chǎng)領(lǐng)域。
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