一種DC/DC變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘    要：本文介紹了一種新穎的具有升降壓功能的DC/DC變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，具體地分析了該DC/DC變換器的設(shè)計(jì)(拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作模式和儲(chǔ)能電感參數(shù)的設(shè)計(jì))，詳細(xì)地闡述了該DC/DC變換器控制系統(tǒng)的原理和實(shí)現(xiàn)，最后給出了測(cè)試結(jié)果。
關(guān)鍵詞：DC/DC變換器；降壓斬波；升壓斬波；儲(chǔ)能電感；直流開關(guān)電源

引言
在具有升降壓功能的非隔離式DC/DC變換器中，升壓/降壓變換器和Cuk變換器是負(fù)極性輸出，Sepic變換器和Zeta變換器是正極性輸出。但這兩個(gè)變換器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，都需要兩個(gè)儲(chǔ)能電感，這必然導(dǎo)致變換器的損耗增加，效率變低，且體積和重量大。
本文針對(duì)實(shí)際研究項(xiàng)目中提出的要求，摒棄采用上述各種變換器，設(shè)計(jì)了一種新穎的具有升降壓功能和正極性輸出的DC/DC變換器，并采用該DC/DC變換器研制出達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求的直流開關(guān)電源，獲得了良好的應(yīng)用價(jià)值。

DC/DC變換器的設(shè)計(jì)
變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖1所示是設(shè)計(jì)的DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該DC/DC變換器為前后級(jí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)。前級(jí)是由T1、T3、D1、D2、L、C、R1、R2構(gòu)成降壓變換電路，后級(jí)是由T2、D2、L、C構(gòu)成升壓變換電路，D2、L、C均出現(xiàn)在前、后級(jí)變換電路中。
從圖1中可以看出，采用PWM方式控制兩個(gè)主開關(guān)管T3、T2存在一定的困難，因?yàn)樗鼈兊目刂贫瞬还驳亍榱藢?shí)現(xiàn)兩路控制信號(hào)共地，也只能選用功率晶體管。為此，在圖1所示的主變換電路中增加了輔助開關(guān)管T1，且T3由NPN型改為PNP型，顯然T1、T2是共地的，T1、T3是同步開關(guān)的，這就實(shí)現(xiàn)了兩路控制信號(hào)的共地。這樣，原本通過控制T3、T2來控制電路的工作狀態(tài)，現(xiàn)在則改為通過T1、T2來控制，T1稱為降壓斬波輔助開關(guān)，T2稱為升壓斬波主開關(guān)，T3稱為降壓斬波主開關(guān)。
工作模式的分析
假設(shè)所用電感和電容均為無損耗的理想儲(chǔ)能元件以及不計(jì)線路阻抗，且變換器始終處于電流連續(xù)狀態(tài)。該DC/DC變換器有兩種典型的工作模式——降壓工作模式和升壓工作模式，下面分別來分析這兩種工作模式。
降壓工作模式
當(dāng)T2截止，T1以PWM方式工作，變換器處于降壓工作模式。此時(shí)，變換器與降壓變換器相比僅僅是多了一個(gè)二極管D2，而這一個(gè)二極管的加入對(duì)降壓變換器的工作無任何影響。因此，處于降壓工作模式的變換器等效于降壓變換器，相應(yīng)的電壓變換關(guān)系為：
                                    (1)
升壓工作模式
當(dāng)T1全導(dǎo)通，T2以PWM方式工作，變換器處于升壓工作模式。此時(shí)，變換器與升壓變換器相比多了一個(gè)全導(dǎo)通的開關(guān)管T3和一個(gè)二極管D1，而這兩個(gè)器件的加入對(duì)升壓變換器的工作無任何影響。因此，處于升壓工作模式的變換器等效于升壓變換器，相應(yīng)的電壓變換關(guān)系為：
                               (2)
由此可見，該DC/DC變換器是將降壓和升壓變換器串聯(lián)起來，通過對(duì)兩個(gè)開關(guān)管T1、T2的配合控制獲得降壓工作模式和升壓工作模式，從而實(shí)現(xiàn)升降壓功能。
儲(chǔ)能電感參數(shù)的設(shè)計(jì)
由圖1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可知，該DC/DC變換器只有一個(gè)儲(chǔ)能元件——儲(chǔ)能電感L，所以L必須能適應(yīng)降壓和升壓兩種不同的工作模式，以使變換器無論處于哪一種工作模式，L都能存儲(chǔ)足夠的能量，從而在以PWM方式工作的斬波開關(guān)截止時(shí)能提供給負(fù)載連續(xù)的電流。因此，L是該DC/DC變換器的關(guān)鍵元件，其參數(shù)的選取直接影響到變換器能否正常工作。
考慮最典型的情況，假設(shè)輸入電壓的變化范圍為Umin~Umax，且當(dāng)Ui=Umax時(shí)，變換器處于降壓工作模式；當(dāng)Ui=Umin時(shí)，變換器處于升壓工作模式。所以，根據(jù)公式(1)、Umax和Uo，可以得到T1的最小占空比amin；根據(jù)公式(2)、Umin和Uo，可以得到T2的最大占空比bmax。由于amin、bmax分別代表了L在兩種工作模式下的極端工作狀態(tài)，因此可以通過分別計(jì)算這兩個(gè)工作狀態(tài)的電感量，并取其中的大者作為L(zhǎng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，則儲(chǔ)能電感L就能同時(shí)滿足兩種工作模式的要求。

DC/DC變換器控制系統(tǒng)的原理和實(shí)現(xiàn)
控制原理
圖2所示是該DC/DC變換器控制系統(tǒng)的控制原理框圖，其應(yīng)用背景是飛輪儲(chǔ)能電力轉(zhuǎn)換器的能量回饋單元的設(shè)計(jì)。
控制系統(tǒng)采用電壓、電流雙閉環(huán)串級(jí)控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)是電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)。控制原理是電壓給定u*與電壓反饋u進(jìn)行比較，得到的電壓誤差經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器輸出作為電流給定i*，i*與電流反饋i進(jìn)行比較，得到的電流誤差經(jīng)電流調(diào)節(jié)器輸出對(duì)應(yīng)PWM波的脈沖寬度，然后經(jīng)PWM控制決定分配給哪個(gè)開關(guān)管，之后PWM波通過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)DC/DC變換器中相應(yīng)的開關(guān)管工作。
以上的雙閉環(huán)控制是針對(duì)工作在PWM方式下的開關(guān)管而言的。由于變換器采用的是兩個(gè)開關(guān)管的配合控制，兩種不同的工作模式就對(duì)應(yīng)兩種不同的PWM開關(guān)方案，因此必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制邏輯分配單元來實(shí)現(xiàn)這兩種開關(guān)方案，這在圖2中以PWM控制單元表示。
控制實(shí)現(xiàn)
控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以采用模擬控制或數(shù)字控制兩種方案，本文以模擬控制方案闡述該DC/DC變換器控制系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。
控制電路由兩級(jí)PI調(diào)節(jié)器、PWM波產(chǎn)生電路、驅(qū)動(dòng)電路、故障檢測(cè)與保護(hù)電路等組成。
兩級(jí)PI調(diào)節(jié)器是控制電路的核心控制單元，兩級(jí)均為帶限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器，前級(jí)是電壓調(diào)節(jié)器，后級(jí)是電流調(diào)節(jié)器，前后級(jí)串聯(lián)構(gòu)成了以輸出電壓為主控制對(duì)象、輸出電流為副控制對(duì)象的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。電壓環(huán)的作用是穩(wěn)定輸出電壓，在輸入電壓或負(fù)載擾動(dòng)作用下保證輸出穩(wěn)定。電流環(huán)是在穩(wěn)態(tài)時(shí)跟隨電壓環(huán)，從而使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，調(diào)節(jié)性能好，也易于實(shí)現(xiàn)限流和過流保護(hù)。由于電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定，故電壓調(diào)節(jié)器的限幅值決定了電流調(diào)節(jié)器的最大輸出電流。此外，電流調(diào)節(jié)器的限幅值限制了最大輸出電壓，防止了輸出電壓過高的非正常狀態(tài)，從而保證系統(tǒng)安全可靠。
PWM波產(chǎn)生電路負(fù)責(zé)兩種PWM開關(guān)方案的實(shí)現(xiàn)，以滿足變換器降壓工作模式和升壓工作模式的要求。由于需要產(chǎn)生兩路控制信號(hào)，因此必須配合主變換電路進(jìn)行特殊的電路設(shè)計(jì)，以解決控制邏輯的分配問題。如圖3所示，電流調(diào)節(jié)器輸出送到兩個(gè)比較器的同相端，由一個(gè)三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波送到反相端，兩路信號(hào)相比較疊加獲得PWM波。分析可知，兩種不同的PWM開關(guān)方案可以通過對(duì)送到兩個(gè)比較器反相端的三角波加上不同的偏移電壓v1和v2來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電流調(diào)節(jié)器輸出電壓低于5V時(shí)，比較器1與三角波有交點(diǎn)，輸出PWM波，該波形用于驅(qū)動(dòng)降壓斬波輔助開關(guān)T1，而比較器2與三角波沒有交點(diǎn)，故無脈沖輸出，升壓斬波主開關(guān)T2截止；當(dāng)電流調(diào)節(jié)器輸出電壓高于5V時(shí)，比較器2與三角波有交點(diǎn)，輸出PWM波，該波形用于驅(qū)動(dòng)升壓斬主開關(guān)T2，而比較器1輸出高電平，降壓斬波輔助開關(guān)T1處于全導(dǎo)通狀態(tài)；而且，降壓工作模式和升壓工作模式的切換是平滑過渡的。這樣，就得到了邏輯上合乎要求的兩路控制信號(hào)，然后再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路去驅(qū)動(dòng)兩個(gè)開關(guān)管。
為了提高系統(tǒng)的可靠性，還設(shè)計(jì)了故障檢測(cè)與保護(hù)電路，包括過流保護(hù)、過壓保護(hù)、過熱保護(hù)等。這主要利用比較器對(duì)電流、電壓、溫度等的檢測(cè)值與設(shè)定的保護(hù)值進(jìn)行比較，一旦發(fā)生超限現(xiàn)象，立即產(chǎn)生相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。

測(cè)試結(jié)果
根據(jù)上述控制原理和實(shí)現(xiàn)方案，研制出了采用該DC/DC變換器作為主變換電路的直流開關(guān)電源(主要參數(shù)：輸入電壓12~40V、輸出電壓28V、額定功率200W及效率≥85%等)。該直流開關(guān)電源主要指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果如下：
1. 輸入電壓允許范圍：在輸入電壓為10~40V的范圍內(nèi)，輸出電壓保持穩(wěn)定；
2. 輸出電壓：在50%負(fù)載條件下，平均輸出電壓為28.01V，輸出電壓穩(wěn)定度≤0.04%；
3. 電壓調(diào)整率：在各種負(fù)載條件下，電源電壓調(diào)整率≤0.18%；
4. 負(fù)載調(diào)整率：以50％負(fù)載為基準(zhǔn)，負(fù)載電壓調(diào)整率≤0.14%；
5. 輸出電壓紋波(Vp-p)：在負(fù)載電流3.6A下，Vp-p≤250mV；
6. 負(fù)載能力：當(dāng)輸出電流達(dá)到7.5A時(shí)，輸出電壓仍保持穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)功率≥200W；
7. 效率：采用電阻性負(fù)載，測(cè)試效率≥85％。
8. 動(dòng)態(tài)響應(yīng)：系統(tǒng)對(duì)輸入電壓和負(fù)載的突變能及時(shí)快速地響應(yīng)。

結(jié)語
本文對(duì)一種新穎的DC/DC變換器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了論述，采用該DC/DC變換器作為主變換電路的直流開關(guān)電源具有以下特點(diǎn)：
1. 變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有明確的工作模式，易于實(shí)現(xiàn)模擬或數(shù)字控制。
2. 采用電壓、電流雙閉環(huán)控制方式，獲得良好的動(dòng)態(tài)性能和較高的穩(wěn)態(tài)精度。
3. 具有升降壓功能，正極性輸出，源效應(yīng)好，能適應(yīng)大范圍的輸入電壓變化。
4. 僅有一個(gè)儲(chǔ)能電感，具有可靠性好、效率高、體積小及重量輕等特點(diǎn)。
5. 適用于飛輪儲(chǔ)能、電動(dòng)機(jī)制動(dòng)再生能量回饋、風(fēng)力發(fā)電等直流母線電壓變化范圍大且需進(jìn)行直流變換處理的中小功率應(yīng)用場(chǎng)合?！?/P>

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