WEDM脈沖電源恒流輸出雙管正激交錯DC/DC變換器設(shè)計

WEDM用脈沖電源的作用是把工頻交流電流轉(zhuǎn)換成一定頻率的單向脈沖電流，供給電極放電間隙所需要的能量以蝕除金屬。本文提出的電流型電火花線切割加工電源前級電路恒流輸出DC/DC變換器，其電路拓?fù)洳捎秒p管正激交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)，故稱為恒流輸出雙管正激交錯并聯(lián)DC/DC變換器。其電壓應(yīng)力等于電源輸入電壓，通過兩個二極管來構(gòu)成勵磁電流回路，使能量回饋至電源。

設(shè)計方案
主電路結(jié)構(gòu)如圖１所示。M1、M2、D1、D2構(gòu)成一路雙管正激電路，M3、M4、D3、D4構(gòu)成另一路雙管正激電路，D5、D6分別為兩路雙管正激電路的整流二極管，D7為續(xù)流二極管，L為輸出濾波電感，C1、C2分別為輸入、輸出濾波電容。

DC/DC變換器設(shè)計的最中心工作就是設(shè)計高頻變壓器。下面僅介紹高頻脈沖變壓器、輸出濾波電感的設(shè)計，最后介紹計算輸入電路、控制部分。

圖１ 恒流輸出雙管正激交錯并聯(lián)DC/DC變換器

1 高頻脈沖變壓器的設(shè)計
①脈沖變壓器原副邊匝比N的確定
為了滿足在輸入電壓變化范圍內(nèi)都能夠得到所要求的輸出電流，高頻變壓器的變比應(yīng)按輸入電壓最低，輸出功率最大情況來選擇。此種情況下，變換器工作在最大占空比狀態(tài)，且電源工作在放電周期里。
設(shè)單路前級變換器的開關(guān)頻率為fs,開關(guān)周期T=1/fs,取最大占空比DMAX=0.45，則單路開關(guān)管最大導(dǎo)通時間為Tonmax=DmaxT。
②確定繞組線徑
60A/25V樣機(jī)，流過副邊的電流有效值為：
(1)
忽略電感電流脈動，變壓器副邊電流峰值為：Ismax=IL=60A。原邊電流幅值為：Ipmax=Ismax+Iμ。
其中，Ismax為副邊電流峰值折算到原邊所得的電流值。Iμ為磁化電流，取Iμ=5%Ismax，則：

(2)
原邊導(dǎo)線用銅芯標(biāo)稱直徑0.6mm(面積為0.283mm2)的漆包線，7股并繞，則原邊實際導(dǎo)線總面積為：
Sμ1=70.283=1.981mm2
副邊用厚0.4mm、寬30mm的紫銅帶繞制。副邊實際導(dǎo)線總面積為：
Sμ2=0.430=12mm2
③ 校核窗口面積

(3)
能夠繞下，設(shè)計合理。
2 輸出濾波電感的設(shè)計
① 輸出濾波電感值的確定
取輸出濾波電感的最大電流脈動量為2%,并設(shè)電感電流連續(xù)，則△iLon=△iLoff=2%ILav，ILav為電感電流平均值。
實際設(shè)計中，取L=25μF。
②繞組線徑為0.467mm
③ 校核窗口：

Kμ=NSμ/Q=(121510-6)/（4.85710-4）=0.371，能繞下。
3 輸入電路設(shè)計
① 輸入濾波電容設(shè)計
輸入濾波電容計算公式為C=It/△V。
其中，I為輸入電流，單位為A；t為電容提供電流的時間，單位為S；△V為所允許的峰-峰值紋波電壓，單位為V。對于60A/25V樣機(jī)，有：
（4）
取C=1680μF，用三個560μ/400V的電解電容并聯(lián)。為了濾除高頻紋波，需再并聯(lián)一個小容量的高頻無感電容。
② 功率晶體管的選取
最大漏源電壓：UDSmax=Uinmax =353.5V。
峰值電流：IDSmax=Ipmax=9.69A
以上計算是理想結(jié)果，實際的電路中由于高頻變壓器存在漏感，回路中還有引線電感，在開關(guān)管關(guān)斷瞬間會引起較大的電壓尖峰。因此，選用開關(guān)管反向耐壓應(yīng)留有足夠的裕度。本設(shè)計選用IR公司的功率MOSFET IR460。
③ 浪涌電流抑制設(shè)計
浪涌電流主要是由濾波電容充電引起的。在開關(guān)管開始導(dǎo)通的瞬間，電容對交流電呈現(xiàn)出很低的阻抗。一般情況下，只是電容的ESR值，而電容性能穩(wěn)定情況下，該ESR值是很小的，從而導(dǎo)致浪涌電流可接近幾百安培。所以設(shè)計時必須在電源的輸入端采取一些限流措施，將浪涌電流減小到允許的范圍之內(nèi)。本設(shè)計采用熱敏電阻技術(shù)限制浪涌電流。選取合適的熱敏電阻，可以保證在負(fù)載電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，熱敏電阻的阻值最小。
④ 輸入瞬間電壓保護(hù)設(shè)計
一般情況下，交流電網(wǎng)上的電壓為115V或230V左右，但有時也會有高壓的尖峰出現(xiàn)。如電網(wǎng)附近有電感性開關(guān)，暴風(fēng)雨天氣時的雷電現(xiàn)象，都是產(chǎn)生高壓尖峰的因素。雖然電壓尖峰持續(xù)的時間很短，但是它卻有足夠的能量給開關(guān)電源的輸入濾波器、開關(guān)晶體管等造成致命的損壞。
最通用的抑制干擾高壓器件是金屬氧化物壓敏電阻 (MOV)瞬態(tài)電壓抑制器。將壓敏電阻并聯(lián)在輸入交流電壓兩端。當(dāng)高壓尖峰瞬間出現(xiàn)在壓敏電阻兩端時，它的阻抗急劇減小到一個值，高壓從其上經(jīng)過，從而消除尖峰電壓使輸入電壓達(dá)到安全值。
4 控制電路的設(shè)計
變換器的控制電路是變換器的重要組成部分，直接影響到變換器的技術(shù)性能。一般講，控制電路包括調(diào)壓控制和保護(hù)兩部分。控制電路必須考慮到如下一些基本要求及功能：變換器是一閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，所以與一般調(diào)節(jié)系統(tǒng)一樣，要求控制電路應(yīng)具有足夠的回路增益，能在允許的輸入電網(wǎng)電壓、負(fù)載及溫度變化范圍內(nèi)，輸出電壓穩(wěn)定度達(dá)到規(guī)定的精度要求，即靜態(tài)精度指標(biāo)。同時，還必須滿足動態(tài)品質(zhì)要求，如穩(wěn)定性及動態(tài)響應(yīng)性能。因此，需要加適當(dāng)?shù)男ＵW(wǎng)絡(luò)或采用多反饋技術(shù)。要滿足獲得額定的輸出電壓及調(diào)節(jié)范圍的要求。此外，還應(yīng)具有軟啟動功能及過壓、過流等保護(hù)功能。必要時還要求實現(xiàn)控制電路輸出與反饋輸入之間的隔離。
為保持變換器的輸出電壓穩(wěn)定，通常采用占空比控制技術(shù)。改變占空比的調(diào)節(jié)方式有脈寬調(diào)制(PWM)和脈頻調(diào)制(PFM)兩種方式。脈寬調(diào)制是在工作頻率不變(即工作周期不變)情況下，通過改變晶體管或場效應(yīng)管導(dǎo)通時間或截止時間來改變占空比，應(yīng)用較普遍。脈頻調(diào)制是采用恒定導(dǎo)通時間、可變截止時間或恒定截止時間、可變導(dǎo)通時間來實現(xiàn)占空比的改變。
過去，控制電路中各單元電路多采用分立元件及單片集成塊。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，近年來已研制出各種集成脈寬調(diào)制控制器，這些集成塊包含了控制電路的全部功能，只需加少量元件就能滿足要求。這不僅簡化了設(shè)計計算，且大幅度地減少了元器件數(shù)量和連接焊點(diǎn)，使變換器的可靠性大大提高。

主功率管驅(qū)動電路設(shè)計
功率MOSFET是一種電壓控制器件，沒有少數(shù)載流子的存儲效應(yīng)，輸入阻抗高，因而開關(guān)速度可以很高，驅(qū)動功率小。但為了得到最佳控制性能，需要精心設(shè)計驅(qū)動電路。根據(jù)要求，我們設(shè)計了如圖2所示的驅(qū)動電路，該驅(qū)動電路采用兩對圖騰柱式推拉驅(qū)動。

圖2 主功率管的驅(qū)動電路

結(jié)語
本文提出了一種WEDM用雙管正激交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)的DC/DC變換器設(shè)計方案，其采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，功率管工作在同樣頻率下，但輸出電壓頻率提高了一倍。兩路并聯(lián)使得輸出電壓占空比也增加了一倍，其整流側(cè)輸出電壓占空比可以在0～1之間變化，提高了電路響應(yīng)速度；在同樣輸出電流的情況下，整流、續(xù)流二極管平均電流減小，有利于選取反向恢復(fù)時間更短的快恢復(fù)二極管。