浅谈一种宽输入电压DC/DC电源的设计与实现分析

所属栏目:电气工程及其自动化论文 发布日期:2021-01-25 18:09:46 论文作者:佚名
本文是一篇工程硕士论文,本文以实际电源研发项目为基础,全文围绕宽输入电压 DC/DC 电源的研制需求,对产品开展了详细的分析。首先,根据输入输出特性及电源常用拓扑结构和控制方

本文是一篇工程硕士论文,本文以实际电源研发项目为基础,全文围绕宽输入电压 DC/DC 电源的研制需求,对产品开展了详细的分析。首先,根据输入输出特性及电源常用拓扑结构和控制方式的研究,提出了试用于本电源设计的两级结构方案;其次,采用分析计算与软件仿真相结合的方式对电源实现过程中需要解决的辅助电源设计、磁性元件设计、驱动设计、外同步设计等关键功能及参数进行了全面分析和计算,确定了各功能单元的线路方案;再次,结合工程实践,对电源开展了相应的可靠性设计及评估;最后,根据线路方案完成 PCB 设计和样机研制,经测试验证,满足了研制目标。

第一章 绪论

1.1 开关电源概述

电源是电子设备中不可或缺的功能部件,在电子设备安全运行中扮演了重要角色。早期的电源为线性电源,线性电源主要特点为输出稳定、噪声小,但是基于其特殊的工作模式效率极低。因此,为了满足高输出功率,早期的电源体积巨大。为了满足航天设备的轻量化、小体积要求,开关电源在美国诞生。开关电源由于具备更高的工作效率,相对于传统线性电源在体积和重量上具有绝对优势。因此,开关电源一经问世便受到广大应用厂商青睐,逐渐取代线性电源,成为了应用电源的主流[1-2]。

1.1.1 开关电源发展现状

开关电源的发展与半导体技术与磁性材料技术的发展息息相关。早期的开关电源主要由分立器件搭建,其线路复杂、调试困难、维护困难,因此很难进行大规模的工程应用。上世纪 70 年代末,PWM 控制器的诞生为开关电源带来了一场历史性的革命。随着半导体技术和磁性材料技术的发展,开关电源工作频率提高到了 20kHz[3],效率可达到 65%~70%,开关电源的普及成为可能。80 年代后,IGBT和 MOSFET 的问世,开关频率增加至 100kHz 以上,开关电源可以在中、大功率直流电源中发挥作用。此后的 30 年里,开关电源的工作频率不断攀升,最高可达几百 MHz[4-7]。

经历几十年的发展,开关电源不再拘泥于最初的 Buck、Boost、正反激等传统的拓扑结构和 PWM 控制方式。为了适应不同的供电需求,多级串、并联拓扑,PFM、PDM 控制等新型拓扑和控制方式均应运而生。同步整流、ZVS 等软开关技术在开关电源中的应用,大大提高了开关电源的工作频率和效率。开关电源控制器的高度集成化显著降低了开关电源体积,数字控制技术在开关电源中的应用进一步提高了开关电源集成度,同时提高了开关电源的多功能性。新型半导体功率器件如氮化镓 MOS 管、碳化硅 MOS 管在开关电源中的应用,使开关电源的功率密度显著提高,工作效率可提升到了 98%以上。目前,开关电源技术研究已经成为电力电子技术研究的热门学科。

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1.2 研究背景和意义

目前低压输入二次电源系统中,应用最为广泛的为 18V~36V 输入电源。二次电源将输入直流电压通过升压、降压、隔离、非隔离等多种方式,转换为稳定的直流电压,分配到不同的功能部件。随着武器装备可靠性、环境适应性要求越来越高,特别是机载电源系统,由于飞机发动机转速的变化大,导致发电机输出电压变化大,需要机载电源具备更宽的输入电压范围和阶跃响应。因此,为了提升供电系统冗余度和可靠性,宽输入范围的 DC/DC 电源在机载或输入电压变化范围较大的应用场合具有重要意义。

在国际上较先进的电源公司有 SynQor、Vicor 等,他们作为行业的标杆引领着行业技术的不断进步。SynQor 公司有目前业内先进的 16V~40V 宽输入数字电源系列。该系列产品应用了先进的两极结构数字电源技术,其优越的性能受到国内整机单位青睐。我国的电力电子装备中也在大量使用 Vicor 产品,Vicor 公司的第三代产品更是将电源的集成度、功率密度推向极致。SynQor、Vicor 等电源大公司,站在电源行业的最顶端,占据了很大的开关电源市场。虽然进口开关电源虽然性能优越,但是价格贵、采购渠道受限、供货周期长、无售后保障,这在军用领域是很严峻的问题。

近年来,电源国产化要求越来越高,整机单位开始寻求进口电源的国产化替代方案,电源系统的国产化有助于保障国防安全[10]。我国的开关电源技术虽然起步较晚,但在市场的催动下,也在飞速发展。国产电源具有成本低、供货稳定、保障性好等优势。因此,在中小功率领域,进口开关电源产品正迅速被国产开关电源产品替代。国内较有名的单位包括中电 43 所、中电 24 所、新雷能、军陶电源等均具有较强的研发实力。目前,新雷能、军陶电源等公司推出了基于正激同步整流和反激同步整流技术的 16V~40V 宽输入 DC/DC 电源系列化产品。国内宽输入电压电源产品与国外的 SynQor、Vicor 等公司电源相比,在功能上如并联均流、外同步、短路保护、输入过欠压等不够完善,不能实现对进口电源的原位替换,因此间接增加了整机系统国产化升级难度。

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第二章 总体方案设计

2.1 拓扑结构分析

传统隔离型开关电源中,反激、正激、半桥、全桥等拓扑结构应用较为广泛,以上电源拓扑技术已发展成熟具有一定代表性。

(1)反激

反激主体结构如图 2-1 所示。当功率 MOS 管 Q1 导通时,输入的电能在变压器初级电感上存储起来;当功率 MOS 管 Q1 截止时,变压器通过次级绕组释放存储的电能向负载供电。

反激最大的劣势就是输出功率难以提高。输出功率主要由变压器原边峰值电流决定,即变压器能够容纳的电能。变压器存储能量大小与初级电感量大小、电源工作频率等均有较大关系。如果想提高反激电路功率,那么变压器的初级绕组的电感量会跟分布参数(比如漏感量)相近,结果是无法实现一个合适的变压器绕制。同时反激变压器具有较大的漏感尖峰,导致功率开关 MOS 管和变压器损耗较大,这严重影响电路效率的提高,因此单端反激拓扑一般只应用于 100W 以内的小功率电源[11-12]。

单端反激也不是全无用处,与其他直流变换器相比,有一个明显优势就是次级不需要功率电感[13],并且基于拓扑结构自身工作方式,变压器不需要单独设计去磁回路。为了防止磁芯饱只需要变压器适当开气隙,变压器就能完成正常的电-磁-电的能量转换,因此很容易进行小型化设计。由于结构简单,器件使用少,工作方式简单在小功率场合具有较高性价比。

图 2-1  反激拓扑

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2.2 两级级联拓扑结构

目前国内已经开展了很多关于开关电源两级拓扑的研究[23-26],两级级联拓扑结构在宽电压范围输入电源设计中具有明显的优势。两级拓扑中各级输入、输出电压差均小于单级结构压差,因此两级结构串联能够分担宽输入电压变化带来的电压应力。基于该特点,两级结构的功率器件选型变得容易,利于提高变换器工作效率。同时,由于两级结构减小了单级结构输入、输出压差,隔离级的变压器容易进行优化设计。两级拓扑一般有中间母线构架和分比式构架两种结构,如图2-5 所示。

图 2-5  两级拓扑结构

中间母线构架第一级为隔离 DC/DC,第二级为非隔离 DC/DC。由于第一级和第二级均作为独立的电源系统,因此两级均需要考虑稳定性设计。第二级变换器前后两端均需要功率电感,会进一步压缩布版空间,并且功率损耗也较大,增加了效率设计、热设计难度。综合来看,中间母线构架需要较多器件,整体结构复杂。

分比式构架结构第一级采用了非隔离结构,而第二级进行隔离。该结构第一级非隔离级首先实现输入电压预稳压,第二级隔离级开环工作,变压器作为一个固定匝比将第一级电压直接等比例传输给次级。该结构中,第一级和第二级整体构成了一个系统,输出电压的变化通过反馈控制回路传递给第一级非隔离电路,由非隔离级对第一级输出电压进行调整,最终稳定隔离级的输出电压。相较于中间母线构架,控制回路可以少一个电压环和一个电流环,线路结构要简便很多。由于第二级输出电压由变压器匝比确定,进行系列化设计时非常便捷,改变变压器匝比便能得到不同的输出电压,能够大大缩短研发周期。

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第三章  电源设计与实现 ……22

3.1  辅助供电设计 ……22

3.1.1  辅助供电方案 …… 22

3.1.2  启动上电控制 …… 24

第四章  样机测试及验证 ……64

4.1  样机实物及测试环境 ……64

4.2  关键参数测试及分析 ……65

第五章 结论 ……74

5.1  本文的主要工作成果 ……74

5.2  下一步工作展望 ……75

第四章 样机测试及验证

4.1 样机实物及测试环境

宽输入 DC/DC 电源样机实物及外形尺寸如图 4-1 所示。样机最大尺寸为76.70mm×38.50mm×10.16mm,重量约 75g,电源测试环境如图 4-2。

图 4-1  样机实物及外形尺寸

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第五章 结论

5.1 本文的主要工作成果

本文主要的工作及研究成果主要包括以下几个方面:

1.根据电源的宽输入电压要求,对不同拓扑结构、馈电方式、PWM 控制方式进行对比和分析,最终完成了一种电流馈电型 Buck+交错正激的两级拓扑结构,实现了本电源的 16V~40V 的宽输入电压范围和高效率、大功率输出;

2.分析了电源实现过程中所需关键技术,开展了宽输入电压辅助电源及其上电控制研究,完成了一种宽输入电压多路输出辅助电源设计以及上电控制线路的实现;基于数字隔离器和数字门电路,实现了初次级驱动信号的隔离和死区控制,实现了不同的驱动频率输出;利用数字锁向环技术实现了频率同步功能和鉴频功能;完成了一种改进的平均电流法并联均流方案设计,解决了传统并联均流方案的应用缺陷;另外,本文还开展了磁性元件设计、电压前馈设计、低纹波设计等,保证了电源关键指标的实现;最后,从工程角度考虑,开展了可靠性预计、结构设计、热设计等可靠性设计,为该电源的靠性评估提供了数据支撑;

3.根据研制方案,完成了 PCB 版图设计和电源样机的制作。经对电源样机静态参数、动态参数、关键节点波形的全面测试,电源样机在各输入边界条件下均具备稳定输出,各项指标全面达到研制目标要求,验证了本课题设计方案的正确性与可行性。

参考文献(略)

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