DCDC变换器的设计方案

一种模块化高效DC-DC变换器的开发与研制

设计方案

一、设计任务：设计一个将220VDC升高到600VDC的DC-DC变换器。在电阻负载下，要求如下：

1、输入电压=220VDC，输出电压=600VDC。

2、输出额定电流=2.5A，最大输出电流=3A。

3、当输入在小范围内变化时，电压调整率SV≤2%（在=2.5A时）。

4、当在小范围你变化时，负载调整率SI≤5%（在=220VDC时）。

5、要求该变换器的在满载时的效率η≥90%。

6、输出噪声纹波电压峰-峰值≤1V（在=220VDC，=600VDC，=2.5A条件下）。

7、要求该变换器具有过流保护功能，动作电流设定在3A。

8、设计相关均流电路，实现多个模块之间的并联输出。

二、设计方案分析

1、DC-DC升压变换器的整体设计方案

图1 DC-DC变换器整体电路图

如图1升压式DC-DC变换器整体电路所示，该DC/DC电压变换器由主电路、采样电路、控制电路、驱动电路组成；开关电源的主电路单元、样电路单元采、控制电路单元、驱动电路单元组成闭环控制系统，是相对输出电压的自动调整。控制电路单元以SG3525为核心，精确控制驱动电路，改变驱动电路的驱动信号，达到稳压的目的。

2、DC-DC升压变换器主电路的工作原理

DC-DC功率变换器的种类很多。按照输入/输出电路是否隔离来分，可分为非隔离型和隔离型两大类。非隔离型的DC-DC变换器又可分为降压式、升压式、极性反转式等几种；隔离型的DC-DC变换器又可分为单端正激式、单端反激式、双端半桥、双端全桥等几种。下面主要讨论非隔离型升压式DC-DC变换器的工作原理。

图2（a）DC-DC变换器主电路

图2（b）DC-DC变换器主电路

图2（a）是升压式DC-DC变换器的主电路，它主要由开关变换电路、高频变压电路、整流电路、输出滤波电路四大部分组成；图1（b）是用matlab模拟出的升压式DC-DC变换器的主电路图。其中开关变换电路主要由绝缘栅双极型晶体管IGBT、储能电容C和RC 放电电路组成；高频变压器电路由一个工作频率为20KHz的升压变压器和一个隔直电容组成；整流电路部分采用桥式整流的设计方案，由四个快速恢复二极管构成，实现将逆变产生

的纹波电流变换为直流方波电流；输出滤波电路采用LC滤波电路的设计方案。

电路的工作原理是：直流电压经过Q1～Q4 组成的全桥开关变换电路，在高频变压器初级得到高频交流方波电压，经变压器降压，再全波整流变换成直流方波，最后通过电感L、电容C组成的滤波器，在R上得到平直的直流电压。全桥直流变换器由全桥逆变器、高频变压器和输出整流、滤波电路组成，也属于直流-交流-直流变换器。

当控制信号为高电平时，开关管Q1/Q4导通，开关管Q2/Q3截止；当控制信号为低电平时，开关管Q1/Q4截止，开关管Q2/Q3导通一正一负，相间交替，实现了将直流电流逆变为锯齿纹波的功能。

3、DC-DC变换器稳压原理

通过输出电压的关系式可以看出，在输入电压或负载变化，要保证输出电压保持稳定时，可以采用两种方案。第一可以维持开关管的截止时间TOFF不变，通过改变脉冲的频率f来维持输出电压的稳定，这便是脉冲频率调制（PFM）控制方式DC-DC变换器；第二可以保持脉冲的周期T不变，通过改变开关管的导通时间TON，即脉冲的占空比q，以实现输出电压的稳定，这就是脉宽调制（PWM）控制方式DC-DC变换器。由于目前已经有各种型号的集成PWM控制器，所以DC-DC变换器普遍采用PWM控制方式。

图2 DC-DC 稳压电路的组成

图3是DC-DC升压稳压变换器的原理图，它主要有采样电路、控制电路（比较放大、误差放大）、驱动电路组成。其稳压原理是：假如输入电压增大，则通过采样电阻将输出电压的变化（增大），采样和基准电压相比较通过比较放大器输出信号去控制控制电路输出

脉冲占空比q的变化（减小），结果可使输出电压保持稳定。反之，当输入电压减小时，PWM控制器输出脉冲占空比q也自动变化（增大），输出电压仍能稳定。

三、主要单元电路设计

1、DC-DC变换器主电路设计

该升压电路结构选择图1所示的电路。该变换电路设计主要是确定关键元件：输出滤波电容C、电感L、开关管IGBT和二极管D。

（1）输入滤波电容的选择

输入滤波电容是电解电

容，主要是滤除低频波，平滑

直流输出电压，减小其脉动，

通常电容的电容值是从控制

纹波的角度考虑的，但是直流

220V的蓄电池输入无法确定其

纹波，我们现在假设其是经过三

相交流桥式整流得到的DC220V电压。

图（3.1）MATLAB 仿真图

图（3.2）MATLAB 仿真波形

因为经过电容滤波之后，电压会升高，所以把整流后的有效直流电压设置为低于220V 。 本设计从能量的角度估算电容值，在电压脉动的过程中，电容不断的充电和放电。滤波的电容的输出即为后续电路的电源。

在电压变化过程中电容吸收的能量为：

为了保证即使在最低输入电压时，也能保证额定的输出功率，根据能量守恒定律，在半周期内输出的能量等于电容从谷点电压充电到峰值电压储存的能量。 最低输入电压：

峰值电压：

谷点电压： 效率：η（假设效率为90%）

三相整流后的脉动频率为3f 每个周期中输入滤波电容提供的能量为：

J J P f P T W in in 1.119

.0105.15031313

0=⨯⨯⨯=•=•=η

每半个周期中输入滤波电容提供的能量为：2in W 于是得 ()

2min 2min 0212in pk in U U W C -= 则：

uF U U W C in pk in 35.8431972281.11222min

2min 0=--= 这样计算出来看似很大，其实不然，从另一个方面说，220V 蓄电池的输出电压也不可能是这样脉动的，所以这个电解电容的选取要使用经验值。

我们结合电路设计的参数要求和现在市场中生产厂家所生产的有极性电解电容型号，最终选择使用两个450V/470μF 的电解电容并联来滤除输入电源中的低频波。

由于电解电容无法吸收加在其两端的高频分量，所以还要在输入直流端并联上无极性的陶瓷电容，0.3~0.5uF.陶瓷电容有体积小，容量大、耐热性好、价格低等优点。

（2）输出滤波储能电感设计