車載雙管正激直流變換器的設(shè)計(jì)

摘要：研究了一種適用于電動(dòng)汽車的高效率雙管正激直流變換器，在提出一種設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)其控制電路，反饋回路、啟動(dòng)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(jì)。其中控制電路使用SG3525芯片，采用二型補(bǔ)償對(duì)控制電路進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)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)鍵詞：雙管正激；直流變換器；二型補(bǔ)償；電動(dòng)汽車

    電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)由于電動(dòng)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(dòng)汽車的實(shí)際工作需求，該設(shè)計(jì)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(jì)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(huì)出現(xiàn)橋臂直通的問題，因此設(shè)計(jì)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(gè)部分組成：功率電路，隔離反饋電路，PI補(bǔ)償電路與PWM生成電路和驅(qū)動(dòng)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(bǔ)償電路與PWM生成電路由芯片SG3525來實(shí)現(xiàn)其功能。驅(qū)動(dòng)電路用于把PWM信號(hào)分成兩路獨(dú)立的信號(hào)G1，G2，分別用于驅(qū)動(dòng)MOS管VQ1，VQ2。這四個(gè)部分構(gòu)成了一個(gè)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(gè)工作狀態(tài)可用如下的簡化電路來表示(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(gè)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(shí)，初級(jí)側(cè)電流流經(jīng)上管VQ1，變壓器初級(jí)，下管VQ2后返回電池組負(fù)極。在這個(gè)過程中勵(lì)磁電流逐漸增大。次級(jí)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，并且給輸出屯容充電。MOS管截止時(shí)，初級(jí)側(cè)兩個(gè)MOS管截止，勵(lì)磁二極管VD1，VD2導(dǎo)通，勵(lì)磁電流逐漸下降為零，對(duì)變壓器進(jìn)行磁復(fù)位。次級(jí)側(cè)整流二極管VD3截止，續(xù)流二極管VD4導(dǎo)通，存儲(chǔ)在電感中的電能為負(fù)載提供電流。見圖2、圖3。

2 相關(guān)電路的設(shè)計(jì)
2．1 控制電路與補(bǔ)償電路
    雙管正激變換器控制電路選用了SG3525控制芯片，與其他控制芯片相比，SG3525去除了限流比較器，改由外部關(guān)斷信號(hào)輸入端來實(shí)現(xiàn)限流功能，同時(shí)還具有逐個(gè)脈沖關(guān)斷和直流輸出電流限幅功能，適合輸出低電壓大電流變換器。實(shí)際使用中，在引腳10上接電流檢測信號(hào)，來對(duì)輸出電流進(jìn)行限制。SG3525還具有欠壓鎖定功能，當(dāng)芯片供電小于8 V時(shí)，芯片無PWM信號(hào)輸出，變換器也無輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。為保證雙管正激變換器中的高頻變壓器在一個(gè)周期內(nèi)完成磁復(fù)位，根據(jù)變壓器勵(lì)磁電感的伏秒平衡原理可知變換器的占空比必須小于0．5。通過調(diào)節(jié)SG3525外圍的定時(shí)容CT，定時(shí)電阻RT，以及放電電阻RD來設(shè)定PWM的最大占空比以及死區(qū)時(shí)間?？刂齐娐肥褂肞WM控制芯片SG3 525，外圍電路簡單。電路中的鋸齒波頻率由RT，CT和RD決定，取CT=1．5 nF，RT=5．1 kΩ，RD=220 Ω。根據(jù)公式f=1／[CT(0.7RT+3RD)]計(jì)算出振蕩器輸出頻率約140 kHz，PWM信號(hào)頻率約為70 kHz。軟啟動(dòng)功能引腳接一個(gè)4．7μF的電容。當(dāng)電容充滿電，SG352的8腳為高電平時(shí)，SG3525才開始工作。穩(wěn)定的系統(tǒng)要求回路開環(huán)BODE圖在剪切頻率出幅值斜率為-20 dB／dec，至少有45°的相位裕量。雙管正激直流變換器采用二型補(bǔ)償電路(見圖4)，其傳遞函數(shù)為：
   
    設(shè)計(jì)時(shí)將穿越頻率設(shè)定為1／4開關(guān)頻率；零點(diǎn)頻率設(shè)為1／4濾波器諧振頻率，增加中頻段相位裕量；極點(diǎn)頻率設(shè)為1／4濾波電容自身容阻頻率，增加高頻段的衰減。由
   

2．2 驅(qū)動(dòng)電路
    雙管正激電路的兩個(gè)MOS管由同一個(gè)PWM信號(hào)控制MOS管導(dǎo)通與關(guān)斷，但是雙管正激變換器中上管浮地，因此需要將兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離。通?？刹捎脤Ｓ玫尿?qū)動(dòng)芯片，但是驅(qū)動(dòng)芯片價(jià)格高，且可靠性不如變壓器驅(qū)動(dòng)。一該變換器采用變壓器隔離方式，原理圖見圖5。這種方法所用器件少，成本低，可靠性高于驅(qū)動(dòng)芯片。

2．3 反饋電路
    反饋電路如圖6所示，雙管正激直流變換器采用電壓反饋控制環(huán)路來保證在不同的負(fù)載情況下輸出電壓為一穩(wěn)定值。因輸入端與輸出端不共地，需要隔離，采用光耦P521和精密穩(wěn)壓管TL431相配合，作為參考、隔離、取樣和放大，組成負(fù)反饋環(huán)路。在次級(jí)電路中，穩(wěn)壓器件TL431作為基準(zhǔn)和反饋誤差放大器，采樣輸出，并產(chǎn)生相應(yīng)的誤差電壓。光耦的正向電流If小于5 mA時(shí)，If微小的變化會(huì)引起三極管電流Ic的劇烈變化；正向電流If大于10 mA時(shí)，光耦開始趨向飽和，因此光耦的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在If=5～10 mA比較合適。TL431正常工作時(shí)，陰極電壓為2．5 V，所以R7取值1．2 kΩ，保證光耦工作在合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。R11的取值要考慮兩個(gè)因素：

    (1)TL431參考輸入端的電流。一般此電流為2μA，為了避免此端電流影響分壓比和避免噪音的影響，一般取流過電阻R11的電流為參考電流的100倍以上，所以此電阻要小于12．5 kΩ；
    (2)損耗的要求。在小于12．5 kΩ的情況下，阻值越大，損耗越小，故R11取值10 kΩ。
    根據(jù)TL431的性能，R10，R11，Vo，vr有固定的關(guān)系：
    Vo=(1+R10／R11)Vr       (2)
    式中：Vo為輸出電壓；Vr=2．50 V為參考電壓，所以R10取值46 kΩ。
    TL431的最小陰極電流為0．2 mA，為保證TL431能夠正常工作，風(fēng)為TL431提供了最小陰極電流。由于TL431最小陰極電壓為2．5 V，輸出電壓為14 V，所以R8取值為10 kΩ，保證最小陰極電流。
2．4 啟動(dòng)電路
    啟動(dòng)電路如圖7所示，啟動(dòng)電路的作用在于在變換器開始工作時(shí)，給PWM調(diào)制芯片供電引腳提供電流。在變換器開始正常工作時(shí)，由供電電路給芯片提供電能，啟動(dòng)電路斷開。

    直流變換器剛上電時(shí)，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(dòng)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(dòng)電路不再工作。

3 變換器關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)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(jì)算直接決定雙管正激交換器的可靠性和效率，MOS管以及次級(jí)整流續(xù)流二極管的選擇對(duì)變換器轉(zhuǎn)換效率也有影響。
3．1 變壓器磁芯的選取
    磁芯尺寸的計(jì)算方法一般有面積乘積法(AP法)和磁芯幾何參數(shù)法(KG法)，這里選用面積乘積法，計(jì)算公式如下：
   
    式中：Aw為磁芯銅窗面積(單位：cm2)；Ae為磁芯有效截面積(單位：cm2)，PT為變壓器傳遞視在功率(單位：W)；△B為磁感應(yīng)強(qiáng)度增量(單位：T)；fs為變壓器工作頻率(單位：Hz)；J為電流密度<單位：A／cm2)，根據(jù)散熱方式不同可取300～600 A／cm2，Ku為銅窗占用系數(shù)。
    設(shè)定變換器的傳輸效率為85％，最大占空比為0．4，Ku=0．2。根據(jù)式(3)計(jì)算出AP=3．15 cm4，可采用EE型磁芯EE42／42／20。
3．2 變壓器參數(shù)的設(shè)計(jì)
    在雙管正激直流變換器中，最大占空比應(yīng)小于0．5。先假設(shè)最大占空比Dmax1=0．4，由公式：

    計(jì)算出初級(jí)匝數(shù)為12匝，則次級(jí)匝數(shù)為6匝。磁芯中磁通密度最大變化量△B=0．188<0．25，保證了磁芯不會(huì)飽和。
3．3 輸出電感的設(shè)計(jì)
    雙管正激變換器輸出電感工作在電流連續(xù)模式。所需電感量為：
   
    式中：V1為電感輸入端電壓；D為占空比；f為開關(guān)頻率；Io為輸出電流；k=△I／2I為紋波系數(shù)，一般選取0．05。在該系統(tǒng)中，電感輸入端電壓為36 V，最大占空比為0．388，開關(guān)頻率為70 kHz，輸出電流為22 A，由式(3)可計(jì)算出所需最小電感量：
   
    考慮到電感偏置后電感量會(huì)減小，輸出電流紋波增大，增加輸出電容的負(fù)擔(dān)，電感實(shí)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(shí)，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(shí)，MOS管承受的電壓應(yīng)力為輸入電壓值72 V?？紤]選用IR公司的型號(hào)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(shí)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0．04Ω，滿載時(shí)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(shí)，輸出電流為22 A。次級(jí)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(jí)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(jī)，在調(diào)試過程中，會(huì)遇到以下幾個(gè)問題：
    (1)SG3525開始不工作?？赏ㄟ^減小啟動(dòng)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(shí)輸出電壓不穩(wěn)定。可以在輸出并聯(lián)一個(gè)電阻作為假負(fù)載，但這樣會(huì)有損耗；另外還可以改變PI補(bǔ)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(shí)輸出電壓下降原因是實(shí)際電路中最大占空比沒有達(dá)到設(shè)計(jì)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(shí)際電路經(jīng)測試，滿載時(shí)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(shí)的實(shí)測波形圖如圖8所示。
    PWM信號(hào)上升沿的時(shí)間小于下降沿的時(shí)間，是因?yàn)镸OS管源漏極之間存在一個(gè)很小的寄生電容，MOS管關(guān)斷時(shí)需妻對(duì)寄生電容進(jìn)行充電。上管在導(dǎo)通時(shí)出現(xiàn)毛刺，因?yàn)樯瞎茯?qū)動(dòng)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(huì)產(chǎn)生一些變化：當(dāng)負(fù)載增大時(shí)輸出電壓有所減小，而效率卻逐漸增加，但在最大負(fù)載時(shí)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(jí)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(jí)繞組的阻抗之和為Rs，總損耗為：
   
    當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，損耗以指數(shù)上升；轉(zhuǎn)換效率在輸出電流的某個(gè)值時(shí)達(dá)到最大，之后開始下降。設(shè)計(jì)完成的車載雙管正激直流變換器實(shí)物圖如圖11所示，為了安全可靠地工作，變換器的外殼采用全封閉的鋁合金結(jié)構(gòu)，同時(shí)電路板上還注滿硅膠，以增加變換器的散熱性和抗震性。

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(dòng)汽車公司所生產(chǎn)的電動(dòng)汽車上，經(jīng)長時(shí)間運(yùn)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(huì)效益。