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負(fù)輸出羅氏變換器實(shí)用性剖析

作者: 時(shí)間:2011-02-12 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

此方程又可寫(xiě)成:

1+(20L2Cs3+130Ls)/R(2L2C2s4+23LCs2+65)

=1+2Ls(20LCs2+130)/R(0.2LCs2+1)

(20LCs2+130)=0(44)

方程(44)分式中分子和分母都有(20LCs2+130)項(xiàng),可以相消,即有一對(duì)零極點(diǎn)可以相抵消,僅分母中有(0.2LCs2+1)項(xiàng)產(chǎn)生的一對(duì)共軛極點(diǎn)p3,4=±j2.24ωn隨負(fù)載電阻R阻值的變化而變化,見(jiàn)圖11。當(dāng)負(fù)載電阻R阻值由零向無(wú)窮大變化時(shí),一條根的軌跡是從原點(diǎn)(零點(diǎn))出發(fā)沿上面一條曲線流向極點(diǎn)p3,另一條根的軌跡則沿下面一條曲線流向極點(diǎn)p4,如圖11所示。所有根的軌跡都在s復(fù)平面的左半部分,所以負(fù)三舉在開(kāi)關(guān)關(guān)斷狀態(tài)時(shí)是穩(wěn)定的。

lfl11.gif (4838 bytes)

圖11開(kāi)關(guān)關(guān)斷狀態(tài)時(shí)電壓傳遞函數(shù)的零-極點(diǎn)圖

在開(kāi)關(guān)閉合和關(guān)斷兩種狀態(tài)中,當(dāng)負(fù)載電阻R阻值趨向無(wú)窮大時(shí),所有極點(diǎn)都落在虛數(shù)軸上,即落在穩(wěn)定的邊界上。因此當(dāng)電阻R阻值趨向無(wú)窮大時(shí),負(fù)三舉就工作在臨界狀態(tài)。

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在VI=12V,f=50kHz,L12=0.6mH,L11=L13=L14=0.3mH,k=0.1~0.9,C11=C10=2μF,C12=C13=C14=20μF條件下測(cè)得的電壓Vo和電感L11兩端的電壓vL11的波形如圖12-17所示。電容C11和C10的耐壓選450V,電容C12、C13和C14的耐壓選50V;輸入電源采用12V汽車(chē)蓄電池;固體開(kāi)關(guān)S采用P溝道功率MOS管器件IRF19630G,參數(shù)為:耐壓VDS=200V;導(dǎo)通電阻RDS-ON=0.8Ω;電流ID-Cont=17A。二極管選快恢復(fù)二極管BYT30P-400,其參數(shù)為:IF=30A;trr=50ns;VRRM=400V。負(fù)載電阻值選100Ω到20kΩ。PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)是用PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)集成控制器SG3525產(chǎn)生,所形成的開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)的幅值為11V左右。示波器用的是20兆雙線(蹤)(COS5020)示波器。在圖12-14中輸入信號(hào)采用2V量程,并把靈敏度按鈕拔出,使量程提高5倍,即每格為10V。在圖15-16中輸入信號(hào)采用5V量程,并把靈敏度按鈕拔出,使量程提高5倍,即每格為25V。在圖17中輸入信號(hào)采用5V量程,輸入信號(hào)經(jīng)10:1的輸入線衰減10倍后加到示波器的Y輸入端,所以Y輸入端每格為50V。通道1是電感電壓vL11的波形,通道2是輸出電壓Vo的波形。

lfl12.gif (9302 bytes)

圖12在k=0.1時(shí)vL11和-vo的實(shí)測(cè)波形

Y軸每格10VX軸每格5μs

 

lfl13.gif (8565 bytes)

 

圖13在k=0.3時(shí)vL11和-vo的實(shí)測(cè)波形

Y軸每格10VX軸每格5μs

lfl14.gif (6138 bytes)

圖14在k=0.5時(shí)vL11和-vo的實(shí)測(cè)波形

Y軸每格10VX軸每格5μs

lfl15.gif (6723 bytes)
圖15在k=0.7時(shí)vL11和-vo的實(shí)測(cè)波形

Y軸每格25VX軸每格5μs

lfl16.gif (8031 bytes)

圖16在k=0.8時(shí)vL11和-vo的實(shí)測(cè)波形

Y軸每格25VX軸每格5μs

lfl17.gif (7569 bytes)
圖17在k=0.90時(shí),和-vo的實(shí)測(cè)波形

Y軸每格50V,X軸每格5μs。

因?yàn)樗性骷际怯梅抢硐朐骷?,所以電壓轉(zhuǎn)換時(shí)就有能量損失,其功率轉(zhuǎn)換效率小于1。全部實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示(在VI=12V,f=50kHz,L12=0.6mH,L11=L13=L14=0.3mH,k=0.1~0.9,C11=C10=2μF,C12=C13=C14=20μF條件下測(cè)得)。

表1

k

Vo(V)

Io(mA)

R(Ω)

Po(W)

II(mA)

PI(W)

η

0.1

38.8

388

100

15.00

1563

18.75

0.80

0.2

43.7

437

100

19.10

1939

23.26

0.82

0.3

49.9

333

150

16.60

1687

20.24

0.82

0.4

58.2

291

200

16.90

1700

20.40

0.83

0.5

69.9

350

200

24.40

2367

28.40

0.86

0.6

87.3

290

300

25.40

2405

28.87

0.88

0.7

116.4

248

470

28.87

2673

32.08

0.90

0.8

174.6

175

1000

30.56

2894

34.73

0.88

0.9

349.2

69.8

5000

24.37

2447

29.36

0.83

選擇高阻值的負(fù)載電阻可使輸出電壓值接近于計(jì)算值。對(duì)應(yīng)于不同導(dǎo)通占空比的功率傳輸效率如表1所示。實(shí)測(cè)結(jié)果平均功率傳輸效率可高達(dá)86%(0.5≤k≤0.8),在k=0.7時(shí)效率可高達(dá)90%。

6Pspice仿真結(jié)果

為了和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng),Pspice〖14〗仿真過(guò)渡過(guò)程條件是設(shè)置打印步長(zhǎng)為1μs;最后的時(shí)間為15ms;沒(méi)有打印延遲0;步長(zhǎng)最高定額是200ns;開(kāi)關(guān)脈沖的上升時(shí)間是Tr=1ns;下降時(shí)間Tf=1ns;開(kāi)關(guān)閉合時(shí)間Ton=2~19μs,開(kāi)關(guān)頻率f=50kHz,周期T=20μs。VI=12V,R=100Ω~5kΩ,L12=0.6mH,L14=L13=L11=0.3mH,C11=C10=2μF,C12=C13=C14=20μF。由于仿真時(shí)認(rèn)為所有元器件都是沒(méi)有功率損耗的理想部件,開(kāi)關(guān)脈沖的上升時(shí)間和下降時(shí)間都很短(1ns),所以功率傳輸效率接近100%。但實(shí)際上開(kāi)關(guān)S和二極管的電壓降都不為零,所以實(shí)際電壓比計(jì)算值要低。Pspice仿真在占空比k從0.1到0.9(Ton=2~19μs),k每隔0.1做一次仿真,仿真結(jié)果與理論分析和計(jì)算完全一致。在此限于篇幅關(guān)系,僅把k=0.6;R=300Ω仿真所得到的部分波形顯示在圖18上。

lfl18.gif (5296 bytes)
圖18k=0.6;R=300Ω仿真所得到的部分波形圖

7討論

7.1與輸出電壓VO相對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通占空比k

對(duì)負(fù)輸出三舉來(lái)說(shuō),導(dǎo)通占空比k在0如果k是接近于1的數(shù)值,理想輸出電壓VO的絕對(duì)值應(yīng)是很大的數(shù)值。但由于寄生成分的影響,輸出電壓VO的絕對(duì)值會(huì)很快下跌。最終,當(dāng)k=1時(shí),VO=0,并非無(wú)窮大。因?yàn)閗=1表示開(kāi)關(guān)k始終閉合從沒(méi)有打開(kāi),VI為直流,電感L11對(duì)直流的感抗為零,所以在這情況下,將會(huì)發(fā)生電流iL11趨向無(wú)窮大的事故。建議導(dǎo)通占空比k的數(shù)值區(qū)間是:

0k0.95

7.2開(kāi)關(guān)頻率f

在本文中,開(kāi)關(guān)重復(fù)頻率選擇f=50kHz做實(shí)驗(yàn),以驗(yàn)證負(fù)輸出羅氏三舉變換器的先進(jìn)性。在這情況下,輸出電壓的紋波非常小,其波形顯示在圖12—圖17上。事實(shí)上開(kāi)關(guān)頻率f可以在10kHz到200kHz之間選擇。通常,頻率越高,電壓和電流的紋波就越小。一般,DC/DC變換器采用更高的工作頻率工作時(shí),就要求PWM開(kāi)關(guān)脈沖要有很短的上升和下降時(shí)間,同時(shí)還要求所采用的所有半導(dǎo)體器件即功率開(kāi)關(guān)管和快速二極管的響應(yīng)時(shí)間要快。

7.3電容C10和C11

一般大電容量的電容,其結(jié)構(gòu)多數(shù)是卷繞線式,這種結(jié)構(gòu)的等效電路是分布電感、漏電阻和電容的串聯(lián)電路。在低頻工作時(shí),分布電感的感抗和漏電阻阻值都很小,其電抗主要為容抗。但工作頻率提高后,分布電感的感抗也就隨之升高,當(dāng)分布電感的感抗大于電容的容抗時(shí),電容就不起電容的作用,而變成一個(gè)電感。在此電路中,由于工作頻率較高,所以電容C10和C11不能用卷繞式電容,而應(yīng)采用特殊結(jié)構(gòu)的無(wú)分布電感的高頻無(wú)感電容。

8結(jié)論

負(fù)輸出羅氏變換器是一種已開(kāi)發(fā)的新型DC/DC升壓型變換器系列,是在DC/DC變換器中應(yīng)用電壓舉升技術(shù)的又一設(shè)計(jì)實(shí)例,能完成從正到負(fù)的DC/DC升壓變換。本文通過(guò)分析、穩(wěn)定性評(píng)估、測(cè)試和仿真對(duì)這種變換器進(jìn)行了,論述結(jié)果充分表明:這種變換器確實(shí)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易價(jià)廉、紋波小、穩(wěn)定性好、效率高、功率密度高等優(yōu)點(diǎn),好、應(yīng)用價(jià)值大,尤其是應(yīng)用于高電壓變換的項(xiàng)目上。


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評(píng)論


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