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        車載雙管正激直流變換器的設(shè)計

        2013-03-29 02:11:22姚偉鄭步生洪峰
        現(xiàn)代電子技術(shù) 2013年2期
        關(guān)鍵詞:雙管導(dǎo)通二極管

        姚偉 鄭步生 洪峰

        摘要: 研究了一種適用于電動汽車的高效率雙管正激直流變換器,在提出一種設(shè)計方案的基礎(chǔ)上,重點對其控制電路,反饋回路、啟動電路和變壓器的關(guān)鍵參數(shù)等進(jìn)行了詳細(xì)分析設(shè)計。其中控制電路使用SG3525芯片,采用二型補償對控制電路進(jìn)行補償。實驗測試結(jié)果表明該變換器輸出穩(wěn)定,有較高的轉(zhuǎn)換效率。

        關(guān)鍵字:雙管正激; 直流變換器; 二型補償; 電動汽車

        中圖分類號:TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1004?373X(2013)02?0150?04

        電動汽車作為一種新能源的交通工具,目前已經(jīng)得到快速地發(fā)展。電動汽車的能量一般由6節(jié)蓄電池串聯(lián)組成的蓄電池組(電壓72 V)進(jìn)行供應(yīng),但電動汽車中的一些輔助電子設(shè)備,如汽車大燈、剎車尾燈、喇叭和雨刮器等的工作電壓都是14 V,因此需要一只由72~14 V的直流變換器進(jìn)行可靠的電壓變換。同時由于電動汽車內(nèi)部的工作環(huán)境的限制,以及從節(jié)約能源角度考慮,該直流變換器必須有較高的轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)一般電動汽車的實際工作需求,該設(shè)計的直流變換器采用了雙管正激的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),輸出功率300 W,轉(zhuǎn)換效率大于85%。由于本設(shè)計中MOS管承受的電壓應(yīng)力小,變壓器構(gòu)造簡單,不需要磁復(fù)位繞組,不會出現(xiàn)橋臂直通的問題[1],因此設(shè)計簡單、可靠性高。

        1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

        車載雙管正激直流變換器的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

        系統(tǒng)由4個部分組成:功率電路,隔離反饋電路,PI補償電路與PWM生成電路和驅(qū)動電路組成。隔離反饋電路主要由光耦P521與精密穩(wěn)壓管TL431組成,把輸出電壓隔離后反饋給控制芯片。PI補償電路與PWM生成電路由芯片SG3525來實現(xiàn)其功能。驅(qū)動電路用于把PWM信號分成兩路獨立的信號G1,G2,分別用于驅(qū)動MOS管VQ1,VQ2。這四個部分構(gòu)成了一個閉環(huán)系統(tǒng),根據(jù)輸出電壓調(diào)節(jié)占空比,最終使輸出電壓穩(wěn)定。

        雙管正激直流變換器工作在電流連續(xù)模式下的兩個工作狀態(tài)可用如下的簡化電路來表示[2](為了便于分析,忽略MOS管的導(dǎo)通電壓、導(dǎo)通壓降以及寄生電容,把變換器簡化成兩個工作狀態(tài):開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)與開關(guān)閉合狀態(tài)):

        雙管正激變換器工作過程為:MOS管導(dǎo)通時,初級側(cè)電流流經(jīng)上管VQ1,變壓器初級,下管VQ2后返回電池組負(fù)極。在這個過程中勵磁電流逐漸增大。次級側(cè)整流二極管VD3導(dǎo)通,續(xù)流二極管VD4截止,電池組通過變壓器給負(fù)載提供能量,并且給輸出電容充電。MOS管截止時,初級側(cè)兩個MOS管截止,勵磁二極管VD1,VD2導(dǎo)通,勵磁電流逐漸下降為零,對變壓器進(jìn)行磁復(fù)位[3]。次級側(cè)整流二極管VD3截止,續(xù)流二極管VD4導(dǎo)通,存儲在電感中的電能為負(fù)載提供電流。見圖2、圖3。

        圖7 啟動電路

        直流變換器剛上電時,在分壓電阻的作用下,二極管D2陽極電壓為12 V。電流經(jīng)過二極管D2后給芯片供電引腳提供電流。芯片開始工作后,輸出最大占空比,驅(qū)動MOS管。供電電路開始工作,輸出16 V電壓,高于二極管陽極電壓,二極管斷開,啟動電路不再工作[7]。

        3 變換器關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計以及器件的選擇

        在該直流變換器中,變壓器以及輸出電感參數(shù)的計算直接決定雙管正激變換器的可靠性和效率,MOS管以及次級整流續(xù)流二極管的選擇對變換器轉(zhuǎn)換效率也有影響。

        3.1 變壓器磁芯的選取

        考慮到電感偏置后電感量會減小,輸出電流紋波增大,增加輸出電容的負(fù)擔(dān),電感實際取值90 μH。

        3.4 MOS管以及二極管的選取

        變換器工作在滿載時,平均輸入電流為5 A,峰值電流為7.5 A。變換器工作在截止?fàn)顟B(tài)時,MOS管承受的電壓應(yīng)力為輸入電壓值72 V。考慮選用IR公司的型號IRFP250及IRFP260,兩者擊穿電壓均為200 V,能夠承受72 V的電壓應(yīng)力。IRFP250的最大導(dǎo)通電流為30 A,導(dǎo)通電阻為0.075[Ω],滿載時的導(dǎo)通損耗為4.22 W。IRFP的最大導(dǎo)通電流為50 A,導(dǎo)通電阻為0.04[Ω],滿載時的導(dǎo)通損耗為2.25 W。從導(dǎo)通損耗以及MOS管溫升角度考慮,選用IRFP260。變換器工作在滿載時,輸出電流為22 A。次級整流與續(xù)流二極管選用肖特基二極管30CPQ100,其最大正向?qū)娏鳛?0 A,導(dǎo)通壓降小,為0.67 V,適合用作次級整流及續(xù)流二極管。

        4 電路調(diào)試與性能分析

        按照以上的參數(shù)研制了雙管正激變換器樣機,在調(diào)試過程中,會遇到以下幾個問題:

        (1)SG3525開始不工作??赏ㄟ^減小啟動電路來增大SG3525的供電電流,改變這一參數(shù)后就能夠正常工作了。

        (2)空載時輸出電壓不穩(wěn)定??梢栽谳敵霾⒙?lián)一個電阻作為假負(fù)載,但這樣會有損耗;另外還可以改變PI補償電路中的電容,來改善系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。

        (3)負(fù)載增加時輸出電壓下降 原因是實際電路中最大占空比沒有達(dá)到設(shè)計的值,可以調(diào)節(jié)SG3525外圍的RD阻值,來調(diào)整最大占空比的大小,使輸出電壓值穩(wěn)定在14 V。

        實際電路經(jīng)測試,滿載時最大占空比為37.77%,輸出電壓為13.64 V,輸出電流為21.8 A,轉(zhuǎn)換效率為85.71%,變換器滿載時的實測波形圖如圖8所示。

        PWM信號上升沿的時間小于下降沿的時間,是因為MOS管源漏極之間存在一個很小的寄生電容,MOS管關(guān)斷時需要對寄生電容進(jìn)行充電。上管在導(dǎo)通時出現(xiàn)毛刺,因為上管驅(qū)動在上升沿處出現(xiàn)了毛刺現(xiàn)象。

        在不同負(fù)載情況下,變換器的輸出電壓與轉(zhuǎn)換效率分別如圖9和圖10所示,可以看出轉(zhuǎn)換效率隨輸出電壓值會產(chǎn)生一些變化:當(dāng)負(fù)載增大時輸出電壓有所減小,而效率卻逐漸增加,但在最大負(fù)載時效率又有所下降。原因是控制電路的功耗是一定量,假設(shè)變壓器初級繞組以及MOS管導(dǎo)通電阻的阻抗之和為Rp,電感與變壓器次級繞組的阻抗之和為Rs,總損耗為:

        5 結(jié) 語

        本車載雙管正激直流變換器現(xiàn)已批量用于某電動汽車公司所生產(chǎn)的電動汽車上,經(jīng)長時間運行,其工作穩(wěn)定,輸出電壓精度高,輸出電流大,轉(zhuǎn)換效率高,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

        參考文獻(xiàn)

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