全桥变换器
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Full-bridge converter变换器
电气0810 赵玮08292053
题目:
设计一Full-bridge converter变换器。输出电压48V,功率为100W。其中:输入电压为直流48V~8V。
要求:
1.通过计算选参数把输出电压纹波Vp-Vp控制在2%之内。
2.主电路元器件的选用、控制芯片的选用、各种为改善电源质量的电磁兼容措施等,任由各位同学自己决定,但要说明选用的理由。
3. 要有:过压和欠压保护;短路保护;过电流保护措施
一、主电路工作原理及器件选择
1、全桥变换工作原理
全桥变换器的主电路如下图1所示,其主要工作波形如下图2所示。仅需在全桥电路上增加一个谐振电感L或利用变压器漏感,便可通过L1与功率开关管输出电容Ci(i=1,2,3,4)的谐振,在电感储能释放过程中,使Ci上的电压u逐步下降到零,而使功率开关管体内的寄生二极管VDi(i=l,2,3,4)开通,使电路中4个开关器件实现零电压开通或零电流关断。通过改变对角线上开关管驱动信号之间的相位差来改变占空比,以达到控制输出电压的目的。变压器副边所接整流二极管VD5、VD6实现全波整流。
2、Full-bridge converter变换器结构
图1
3、全桥变换器工作波形
图2
4、参数计算和器件选择
1)变压器的选择
为了在规定的输入电压范围内能够输出所要求的电压,变压器的变比应按最低输入电压U 选择。为了降低输出整流二极管的反向电压,为了提高高频变压器的利用率,减小开关管的电流,选择副边的最大占空比为0.85,则可计算出副边电压为:
(max)sec(min)sec(max)o D LF
V V V V D ++=
其中:0(max)V 是最高输出电压,即均充电压;d V 是输出整流二极管
的通态压降;LF V 是输出滤波电感上的直流压降。取
(max)48(12%)49o V V =⨯+≈,d LF V =0.7V,V 1V =,所以
sec(min)490.7163.3750.8
V V ++==,所以变压器原副边变比为
560.8963.375
K =≈,变比即为:K=0.89。 变压器铁芯选用的是铁基纳米晶合金铁芯,它具有高导磁率,低损耗和优良的温度特性,广泛应用于推挽或桥式高频大功率逆变电源和开关电流中。
2)输出整流二极管的选择
输出整流二极管是工作在高频状况下的,因此应选用快恢复二极管。
本实验所设计的电源,其变压器的副边采用全波整流电路,所以整流管的反向电压为(max)2/256/0.89126DR in V V K V ==⨯≈, 整流管流过的最大电流为100/48=2.1A ,因此可选用规格为200V/3A 的快恢复二级管。
3)输出滤波电容
输出滤波电容的计算公式为:
其中取100opp V mV ∆= ,把各相关量代人公式得f C =320uF 。
4)输出滤波电感的计算
PWM DC/DC 全桥变换器的输出滤波电感值为:
式中LF V 为输出滤波电感上的直流压降(初步假定其为1 V);d V 为
输出整流二极管的通态压降。把各相关量代人得
L=164uH。
f
二、控制电路
1、控制电路设计
2、驱动电路设计
驱动电路电源结构图
IGBT是电压驱动型的器件,在栅极和射极间加上驱动电压即可开通,该电压值一般选择15V左右,本电路选择15V 电压驱动。关断时,加上适当的反向电压,可以使IGBT迅速关断,为了提高IGBT的抗扰能力,选择12V电压作为关
断时的反向电压。
IGBT的驱动电路应具备两个功能:一,实现控制电路和被驱动的IGBT的栅极电隔离;二,提供合适的栅极驱动脉冲。隔离形式可以是脉冲变压器,微分变压器或者光电耦合装置,这里采用光耦隔离,为了降低电磁干扰,每路驱动信号都采用独立的电源来进行设计,电路如上图所示,采用L7815和L7912分别产生+15V和-12V电压为IGBT驱动电路供电。
驱动电路结构图
驱动电路的设计,由TLP250芯片构成,该芯片具有光耦隔离放大功能,驱动能力强,隔离电压高,响应速度快。每一路信号都采用独立的电源供电,有效避免了相互之间的电磁干扰,提高了系统的可靠性。IGBT栅极需串联一定的电阻,若该电阻较大,会使IGBT的开通和关断时间增大,则开通和关断损耗也增大;若该电阻较小,会造成IGBT的电流上
升率增大,同时门极所串联电阻上的损耗也增加。因此,栅极电阻的大小影响驱动波形的上升、下降速率,需要合理选择该电阻的大小,一般情况下,该电阻小于100 Ω。本实验中,栅极电阻选择20Ω大小的阻值。另外,IGBT的引线过长容易引起振荡,因此,在线路中,其电阻的接入应尽量靠近IGBT。整个驱动电路系统如上图所示。
3、过电流保护设计
芯片内有一个电流比较器,其同相端接电流检测端C/S+(pin 5),反向端在内部接了个2.5V电压。当C/S+电压超过2.5V时,电流比较器输出高电平,使输出级全部为低电平,封锁输出,同时,将软起动脚的电压拉到0V,使输出级移相角为0°。当C/S+电压低于2.5V后,电流比较器输出低电平,开启输出,软起动电路开始工作。
4、欠压保护设计
芯片内具有欠电压封锁功能。发生欠电压封锁时,所有输出端均为低电平,一直到电源电压达到10.75门限值。为了提高欠电压封锁的可靠性,通常欠电压封锁门限制滞后1.5v,即当电源电压下降到9.25时,欠电压封锁电路仍工作。该器件还具有过电流保护功能,过电流故障发生后70ns内,全部输出级都能转入判断状态。过电流故障消除后,器件能重新开始工作。