姜艷姝，郭東，徐興（哈爾濱理工大學(xué)自動化學(xué)院，黑龍江哈爾濱150080）

?

基于推挽電路的大功率直流電源設(shè)計

姜艷姝，郭東，徐興
（哈爾濱理工大學(xué)自動化學(xué)院，黑龍江哈爾濱150080）

摘要：基于PWM控制的推挽式DC-DC直流升壓電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一款2 kW大功率直流升壓變換器。該推挽拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用2組高頻變壓器并聯(lián)的升壓方式，用1組驅(qū)動信號同時驅(qū)動2個開關(guān)管，轉(zhuǎn)換效率高，對器件的參數(shù)要求不高。最后研制出了額定直流48 V輸入，直流310 V輸出，2 kW功率的DC/DC變換器。通過實驗證明該變換器具有較高的效率與實用價值。

關(guān)鍵詞：PWM控制；高頻變壓器；開關(guān)管；DC/DC

開關(guān)型DC/DC變換器采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)，其功耗小，效率高，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)70%～95%。傳統(tǒng)升壓方式通常采用先逆變后升壓的方式，不僅成本高，設(shè)計電路復(fù)雜，而且增加了調(diào)試的難度，輸出的波形質(zhì)量不是很好，而高頻升壓電路則是直接將低壓的蓄電池電壓經(jīng)過DC-DC變換器升高到高壓直流電壓，成本低，轉(zhuǎn)換效率高，輸出電壓穩(wěn)定，波形質(zhì)量好［1］。

針對48 V直流輸入，310 V直流輸出的2 kW大功率DC-DC變換器，應(yīng)用了一種變壓器原邊并聯(lián)副邊串聯(lián)的拓?fù)?。最后按照要求，研制?臺雙變壓器，大功率的變換器，并對該系統(tǒng)的效率和開關(guān)管的波形進(jìn)行了驗證。

1　推挽電路的工作原理

推挽電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，當(dāng)電路處于工作狀態(tài)時其主變壓器的次級繞組產(chǎn)生一對相位互差180°的方波脈沖，脈沖的寬度相同，由主輸出回路的負(fù)反饋控制電路決定，其幅值由輸入電壓以及初次級繞組匝數(shù)比決定。

圖1　推挽電路結(jié)構(gòu)Fig.1 Push-pull circuit structure

在推挽電路中，開關(guān)管Q1和Q2由2個相等的脈沖寬度可調(diào)，相位互差180°的方波脈沖驅(qū)動，如圖2所示。開關(guān)管在導(dǎo)通期間，柵極驅(qū)動電壓必須足夠大，以便把每個初級端半繞組的開關(guān)端電壓拉低到開關(guān)管飽和導(dǎo)通壓降Vce。所以當(dāng)任意一個開關(guān)管導(dǎo)通時，對應(yīng)的半個繞組上的方波電壓幅值為（Vdc-Vce）。

圖2　MOSFET驅(qū)動波形Fig.2 MOSFET driver waveforms

變壓器的次級側(cè)是一個導(dǎo)通時間為Ton，幅值為［（Vds-Vce）（Ns/Np）-Vd］的平頂方波，Vd為整流二極管的正向壓降。

由于每個周期之內(nèi)都有2個脈沖，所以變壓器副邊的占空比為2Ton/T。輸出電壓Vos的直流或平均電壓為

將反饋接在電壓輸出端，通過環(huán)路控制Ton的大小，從而實現(xiàn)了輸出電壓的穩(wěn)定［2］。

2　系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，本設(shè)計由2組對稱推挽電路作為主拓?fù)?、兩變壓器次級繞組串聯(lián)、整流濾波電路、輸入過壓保護(hù)電路、輸入欠壓保護(hù)電路、過流保護(hù)、輸出過壓保護(hù)、變壓器過熱保護(hù)組成。輸入電壓為48 V的直流電壓，輸出為310 V直流電壓。

圖3　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Overall system structure

開關(guān)管Q1，Q3及Q2，Q42路為1組，在PWM驅(qū)動下交替導(dǎo)通。當(dāng)直流輸入電壓低于42 V時，輸入欠壓保護(hù)電路動作，系統(tǒng)將無法啟動。當(dāng)輸入電壓高于55 V時，芯片自動關(guān)斷，無PWM輸出驅(qū)動MOSFET。為防止電路在開環(huán)狀態(tài)下輸出電壓飆升損壞設(shè)備，該電路設(shè)計了過壓保護(hù)電路，一旦出現(xiàn)系統(tǒng)沒閉環(huán)，輸出電壓飆升，芯片自動關(guān)斷PWM輸出。為了防止變壓器在工作過程中發(fā)生異常，電路設(shè)計了過熱保護(hù)與過流保護(hù)。設(shè)計思路是：將NTC熱敏電阻緊貼變壓器磁心部位，當(dāng)變壓器溫度超出正常工作溫度范圍之后，取樣電壓與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，輸出高電平，關(guān)斷芯片。在變壓器的次級側(cè)串聯(lián)電流互感器，并通過全橋電路轉(zhuǎn)換成電壓，將取樣電壓與設(shè)定值進(jìn)行比較，實現(xiàn)芯片PWM的通斷，有效地保護(hù)了變壓器及各器件。以上各個部分構(gòu)成了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，保證了電路的穩(wěn)定，高效，持續(xù)運行。

3　系統(tǒng)硬件設(shè)計

該變換器的設(shè)計參數(shù)為：額定直流輸入電壓48 V，輸入電壓范圍42～55 V。輸出額定電壓為直流310 V，輸出最大功率2 000 W，工作頻率42 kHz，輸入輸出隔離。

3.1DC-DC控制器的設(shè)計

本次設(shè)計DC-DC控制器采用美國Silicon公司推出的SG3525PWM控制器，該控制器具有雙通道輸出，適用于推挽式電路，每一通道的最大驅(qū)動電流為500 mA，可以直接驅(qū)動MOSFET，其最大工作頻率可達(dá)400 kHz，具有欠壓關(guān)斷，可編程軟啟動等優(yōu)點。SG3525是一款功能齊全，性能優(yōu)良的集成PWM控制器，由于其簡單，可靠，簡化了PWM控制器的設(shè)計及調(diào)試等，因而被廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源中。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4　SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 SG3525 internal structure diagram

SG3525內(nèi)部集成了精密基準(zhǔn)電源，誤差放大器，帶同步功能的振蕩器，脈沖同步觸發(fā)器，圖騰柱式輸出晶體管、PWM比較器、軟啟動電路、關(guān)斷電路和欠壓鎖定電路。電路的工作頻率由芯片的振蕩器決定，其公式為

式中：RT，CT分別為SG3525 6腳與5腳的振蕩電阻和振蕩電容；RD為死區(qū)電阻；fosc為芯片的晶振頻率。

按照設(shè)計要求選取RT=4.7 kΩ，RD=100 Ω，CT=3.3 nF。代入振蕩頻率公式得fosc≈82 kHz，則開關(guān)頻率為42 kHz。系統(tǒng)接入輸入電壓后SG3525得到正常工作電壓，芯片開始工作。具體的工作過程是：芯片內(nèi)部恒流源對軟啟動電容充電，PWM脈沖逐漸展寬驅(qū)動MOSFET，當(dāng)脈沖寬度達(dá)到最大后，將不再受軟啟動影響，則軟啟動結(jié)束，電路開始正常工作［3］。如果在設(shè)備的工作過程中出現(xiàn)過壓，過流，過溫等現(xiàn)象，則芯片10腳變?yōu)楦唠娖?，PWM信號被終止，電路得以保護(hù)。直到故障被排除，芯片才可再次進(jìn)行軟啟動。

3.2高頻變壓器的設(shè)計

該變換器采用的是雙變壓器的形式，將2個變壓器的次級繞組串聯(lián)，初級側(cè)繞組分別接輸入電壓，采用相同時序的控制方式。與單變壓器的電路比較，雙變壓器有在輸入電壓一定時，次級側(cè)繞組匝數(shù)減少為原來的一半，初級側(cè)并聯(lián)，電流為輸入電流的一半，減小了變壓器的設(shè)計難度。除此之外，開關(guān)管的導(dǎo)通損耗和變壓器的初級銅耗將減為原來的1/4，有效地提高了變換器的效率［4］。

3.2.1磁芯的選擇

變壓器的磁芯選擇有2種方法，分別為面積乘積法和查表法。面積乘積法根據(jù)輸出功率、磁通密度變化量、變壓器工作頻率求出窗口有效面積Aw和磁芯截面積Ae的乘積AP。查表法是從電壓調(diào)整率的角度出發(fā)，求出幾何參數(shù)，再查表求出磁芯編號，本次設(shè)計采用的是面積乘積法【5】。

利用面積乘積法的計算公式為

式中：Po為輸出功率，W；ΔB為磁通密度變化量，T；fT為變壓器工作頻率，Hz；K為推挽變壓器中心抽頭，K =0.014。

本次設(shè)計中輸出功率Po=2 000 W，為防止磁芯飽和選擇最大磁通量B=0.5T，工作頻率ft= 42 kHz。代入數(shù)據(jù)得：

查詢變壓器參數(shù)表選取TDG的EE59鐵氧體磁芯，

由上式可知，AP1＞AP，可見選取TDG的EE59磁芯留有較大的余量，滿足功率需求。

3.2.2原副邊匝數(shù)的選擇

在最小輸入電壓和最大負(fù)載的時候，原邊開關(guān)管的導(dǎo)通時間最長。本次設(shè)計中選擇最大占空比為0.4。

原副邊電壓關(guān)系式：

本次設(shè)計中最小輸入電壓為42 V，原邊開關(guān)管導(dǎo)通壓降約為1 V，副邊采用全橋整流，取Vd為2 V，最大占空比為0.4，則匝比為

確定原邊匝數(shù)：

取原邊匝數(shù)為3匝，則副邊的匝數(shù)為

副邊匝數(shù)取整為29匝。考慮高頻下導(dǎo)線的趨膚效應(yīng)影響，導(dǎo)線的集膚深度；

由上式可知采用導(dǎo)線的最大線徑0.732 mm，選取標(biāo)稱直徑為0.75 mm的漆包線。

3.3整流濾波電路的設(shè)計

在負(fù)載電流相同的條件下；全波整流的變壓器是2個對稱（包括線圈的圈數(shù)、內(nèi)阻）極性相反的線圈，即一組線圈的始端與另1組線圈的尾端相連，橋式整流的變壓器只用1組線圈。橋式整流的線圈導(dǎo)線截面積為全波整流的2倍。全波整流的線圈繞制工藝高，這是因為，全波整流要求2個線圈要對稱，即圈數(shù)要一致，實際上只能做到盡量一致，橋式整流的繞組只有1組，繞制工藝簡單。橋式整流相對全波整流對整流管的電壓要求低，為全波整流的二分之一。整流效率都為90%。

綜上所述：橋式整流比全波整流多用了2個整流二極管，而只需繞1個繞組，工藝簡單，而整流二極管又相當(dāng)便宜。所以本次設(shè)計中整流濾波電路由4個型號為STPSC2006CW的MOSFET 和LC濾波電路組成。

4　測試結(jié)果和分析

4.1實驗數(shù)據(jù)

對樣機(jī)的性能做了測試。測試條件：2臺大功率直流電源，輸出電壓可調(diào)范圍1～1 000 V，最大輸出電流40 A。示波器，Tektronix DPO 5054數(shù)字示波器。萬用表，F(xiàn)LUKE 18B。負(fù)載，鋁殼電阻100 Ω，1 000 W。樣機(jī)工作頻率42 kHz，額定輸入電壓48 V，額定輸出電壓310 V，最大輸出功率2 000 W。

在額定輸入48 V和額定輸出310 V的條件下，對于不同負(fù)載，樣機(jī)工作效率見表1。

表1　樣機(jī)效率測試數(shù)據(jù)表Tab.1 Prototype efficiency test data tables

由表1分析可知，變換器在負(fù)載為100 Ω時，變換器效率最高，總體效率趨勢為隨著負(fù)載的加大，變換器效率先上升后下降。

4.2實驗波形

如圖5為PWM控制電路產(chǎn)生的2路互補對稱的PWM波形，輸出頻率為42 kHz，占空比為0.45。圖6為變換器在輕載的情況下，2路開關(guān)管Vds的波形，圖7為加載的時候，電壓輸出波形。

由圖6可以看出開關(guān)管在開通與關(guān)斷的時候尖峰電壓相對比較大，因此在本次設(shè)計中在4個開關(guān)管兩端和變壓器副邊分別加RC吸收回路，消減尖峰電壓，保證變換器穩(wěn)定工作。

圖5　2路互補PWM驅(qū)動波形Fig.5 Two complementary PWM waveforms

圖6　帶載時Vds的波形Fig.6 Load cases Vdswaveforms

圖7　輸出電壓波形Fig.6 Output voltage waveform

5　結(jié)論

本文分析了推挽電路的工作原理，設(shè)計了高頻變壓器，完成了樣機(jī)的測試，得出了實驗數(shù)據(jù)和波形，通過實驗結(jié)果分析可知該變換器適用于低電壓輸入，大功率場合，并且效率相對較高。

參考文獻(xiàn)

［1］吳建進(jìn)，魏學(xué)業(yè)，袁磊.一種推挽式直流升壓電路的設(shè)計［J］.電氣自動化，2011，33（2）：54-56.

［2］王志強.開關(guān)電源設(shè)計［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［3］李桂丹，高晗瓔，張春喜.基于SG3525的DC/DC直流變換器的研究［J］.通信電源技術(shù)，2008，25（5）：28-30.

［4］張輝，鄧嘉，馬皓.一種雙變壓器串聯(lián)諧振軟開關(guān)推挽電路［J］.電力電子技術(shù)，2008，42（6）：28-30.

［5］趙修科.開關(guān)電源中磁性元器件［M］.南京：南京航空航天大學(xué)出版社，2004.

修改稿日期：2015-12-20

Design a DC Power Supply Based on Two Series Transformer of Push-pull Circuit

JIANG Yanshu，GUO Dong，XU Xing
（Automation Institute，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，Heilongjiang，China）

Abstract：Based on PWM control of push-pull DC-DC booster circuit system structure，a 2 000 W DC boost converter was designed. The push-pull topology adopted two sets of high frequency transformer in parallel way of booster，with a set of driving signal to drive both switch tube，high conversion efficiency，and the parameters of the request was not too high to the device. Finally 2 000 W DC/DC converter was developed with DC 48 V input，DC 310 V output. Experiments show that the converter has more efficiency and practical value.

Key words：PWM controller；high-frequency transformer；switching tube；DC-DC

中圖分類號：TM433

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：姜艷姝（1971-），女，博士，教授，Email：jiangyanshu@yahoo.com.cn

收稿日期：2015-09-08