移相全橋DC/DC變換器的設(shè)計(jì)與研究

引言

目前高功率密度與大容量是變換器發(fā)展的主要方向，但是在一些應(yīng)用場(chǎng)所中，需要的數(shù)百伏直流電壓是經(jīng)由數(shù)十伏的直流電壓變換而來(lái)的，然后才能提供給逆變器或負(fù)載作為輸入電壓。就目前的研究現(xiàn)狀而言，當(dāng)DC/DC變換器處于低壓大電流下時(shí)，變換器的效率不是很理想，并且損耗也相對(duì)比較大,再加之它的應(yīng)用范圍很有限，采用的移相控制就是通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)元器件實(shí)行有效的控制來(lái)達(dá)到改變占空比，使其達(dá)到設(shè)計(jì)所預(yù)計(jì)的值，從而改變輸出功率值。

1帶飽和電感的移相全橋DC/DC變換器

本文設(shè)計(jì)的全橋移相ZVS-PWMDC/DC變換器是基于上述不足而設(shè)計(jì)出的帶飽和電感的電路，它是在其支路上增加一個(gè)輔助網(wǎng)絡(luò)，可讓功率開(kāi)關(guān)管在重載下完成ZVS，設(shè)計(jì)的這種帶支路的全橋變換器在小功率應(yīng)用場(chǎng)所比較有優(yōu)勢(shì)。圖1所示就是帶輔助諧振網(wǎng)絡(luò)的移相全橋DC/DC變換器的電路圖。

圖1  帶輔助諧振網(wǎng)絡(luò)的移相全橋DC/DC變換器

2電路參數(shù)的設(shè)計(jì)

本變換器主要的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：輸入直流電壓:200~373V，50Hz；輸出電壓：24V（穩(wěn)壓型）；輸出電流：20A；開(kāi)關(guān)頻率：100kHz；最大輸出功率:500W。

2.1變壓器的設(shè)計(jì)

變壓器的副邊電壓：

VD是整流二極管的導(dǎo)通壓降，VD=1.5V；VLf是輸出濾波電感直流壓降，VLf=2V。

全橋電路中變壓器存在死區(qū)和占空比，所以占空比取為0.85。變壓器的副邊繞組輸出功率為：

變壓器的功率為：

變壓器的原副邊變比為：

2.2功率開(kāi)關(guān)管的選擇

根據(jù)輸入電壓最大值為373V,留足裕量的話(huà)，就取額定電壓為500V,這樣，變壓器原邊電流與匝比相比，就會(huì)得到開(kāi)關(guān)管的額定電流，額定電流選為3.08A.同樣考慮到裕量問(wèn)題，本文選擇500V/8A的MOSFET管。

2.3輸入濾波電路的設(shè)計(jì)

通常情況下，依照人們長(zhǎng)期總結(jié)得出的經(jīng)驗(yàn)算法：當(dāng)輸入的交流電最小時(shí)，而最小輸入交流電壓最大值的20%~25%,等于經(jīng)過(guò)輸入整流濾波后的直流電壓脈動(dòng)值Vpp.可以按照下面的步驟來(lái)設(shè)計(jì)出的取值:

（1）經(jīng)過(guò)整流濾波后的直流電壓最大脈動(dòng)值：?jiǎn)蜗噍斎?

（2）整流濾波后直流電壓為

（3）輸入功率

Vin(min)是經(jīng)過(guò)輸入整流濾波后的直流電壓最小值，在任何一個(gè)周期過(guò)程中Cin傳送的能量大概為：

式中，A是輸入交流電壓的相數(shù)，單相時(shí)A=1，三相時(shí)A=3；Pin表示輸入功率；fmin是交流電網(wǎng)的輸入最小頻率。

濾波電容為：

經(jīng)過(guò)整流后得到的直流電壓最小值為：

整流管承受的最大反向電壓為：

因?yàn)樵陔娐分猩婕半妷赫袷幍目赡埽栽谶x擇時(shí)就要對(duì)它的取值范圍有所放寬，實(shí)際取值時(shí)就取為它的2倍，整流管的電壓就取168V，而它的電流就取為：

2.4Lr與Cr的確定

Lr與Cr的值可以按如下公式來(lái)確定：

式中，Ag是sinω1t在t1時(shí)刻的值。

要實(shí)現(xiàn)移相全橋滯后橋臂的零電壓開(kāi)關(guān)，需同時(shí)滿(mǎn)足上面這三個(gè)式子，但是實(shí)際上我們只用了這三個(gè)中的前面兩個(gè)，只要滿(mǎn)足了前面兩個(gè)式子，自然而然第三個(gè)也同樣滿(mǎn)足?？梢詮氖剑?）~（3）得出：

2.5輸出濾波電路的設(shè)計(jì)

要想讓電感一直處在電流連續(xù)模式的情況下，換句話(huà)說(shuō)就是給它一個(gè)最小的輸出電流，而在這種情形下電感依舊處在連續(xù)的狀態(tài)下。可從下式得出系統(tǒng)電路輸出濾波電感Lf：

公式中的具體參數(shù)如下：Vin為系統(tǒng)電路中的輸入電壓，fLf是LC濾波器工作頻率，fLf=2fs；Io(ccm)為在允許范圍內(nèi)的電流紋波，那么當(dāng)輸出濾波電感的電流處在連續(xù)模式下時(shí)，它的電流就等于全載的10%，所以把這個(gè)式子代入得到：

而變壓器副邊輸出濾波電容與開(kāi)關(guān)電源輸出波紋電壓峰峰值的大小有關(guān)聯(lián)，在通常情況下，通過(guò)下式可以計(jì)算出變壓器副邊的輸出濾波電容。

2.6隔直電容的選擇

由公式得：

3移相全橋DC/DC變換器小信號(hào)建模

圖2所示是本文給出的移相全橋DC/DC變換器小信號(hào)模型。

在基于Buck電路小信號(hào)模型的基礎(chǔ)上建立移相全橋DC/DC變換器的小信號(hào)等效模，得到移相全橋直流/直流變換器的傳遞函數(shù)：

通過(guò)勞斯判據(jù)計(jì)算得出兩個(gè)零點(diǎn)位于Y軸的左半平面，該系統(tǒng)穩(wěn)定。

4改進(jìn)型的PID控制

對(duì)移相全橋零電壓DC/DC變換器進(jìn)行系統(tǒng)仿真的具體參數(shù)可利用上面章節(jié)中的計(jì)算值，并利用圖3所示的模糊PID控制下的移相全橋DC/DC變換器的模型搭建。

在基于移相全橋DC/DC變換器模型的前提下，設(shè)計(jì)出模糊PID控制的移相全橋DC/DC變換器模型，如圖3所示。對(duì)此模型進(jìn)行仿真，得到了輸出電壓、輸出電流的波形圖，如圖4所示。在前面給出了變換器設(shè)計(jì)的參數(shù)輸出電壓為24V、輸出電流為20A，從輸出電壓和輸出電流的仿真波形可以看出，得到了預(yù)期的目標(biāo)結(jié)果，故可驗(yàn)證此設(shè)計(jì)的正確性。

5結(jié)語(yǔ)

本文基于傳統(tǒng)移相全橋DC/DC變換器的不足和缺點(diǎn)，提出了帶飽和電感的移相全橋變換器，并對(duì)該變換器的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在Buck小信號(hào)模型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出移相全橋DC/DC變換器小信號(hào)模型，對(duì)其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果與預(yù)期的目標(biāo)相符。

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