車載雙管正激直流變換器的設(shè)計(jì)

摘要：研究了一種適用于電動(dòng)汽車的高效率雙管正激直流變換器，在提出一種設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)其控制電路，反饋回路、啟動(dòng)電路和變壓器的關(guān)鍵參數(shù)等進(jìn)行了詳細(xì)分析設(shè)計(jì)。其中控制電路使用SG3525芯片，采用二型補(bǔ)償對(duì)控制電路進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明該變換器輸出穩(wěn)定，有較高的轉(zhuǎn)換效率。
關(guān)鍵詞：雙管正激；直流變換器；二型補(bǔ)償；電動(dòng)汽車

電動(dòng)汽車作為一種新能源的交通工具，目前已經(jīng)得到快速地發(fā)展。電動(dòng)汽車的能量一般由6節(jié)蓄電池串聯(lián)組成的蓄電池組(電壓72 V)進(jìn)行供應(yīng)，但電動(dòng)汽車中的一些輔助電子設(shè)備，如汽車大燈、剎車尾燈、喇叭和雨刮器等的工作電壓都是14 V，因此需要一只由72～14 V的直流變換器進(jìn)行可靠的電壓變換。同時(shí)由于電動(dòng)汽車內(nèi)部的工作環(huán)境的限制，以及從節(jié)約能源角度考慮，該直流變換器必須有較高的轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)一般電動(dòng)汽車的實(shí)際工作需求，該設(shè)計(jì)的直流變換器采用了雙管正激的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸出功率300 W，轉(zhuǎn)換效率大于85％。由于本設(shè)計(jì)中MOS管承受的電壓應(yīng)力小，變壓器構(gòu)造簡(jiǎn)單，不需要磁復(fù)位繞組，不會(huì)出現(xiàn)橋臂直通的問題，因此設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠性高。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成
車載雙管正激直流變換器的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

系統(tǒng)由4個(gè)部分組成：功率電路，隔離反饋電路，PI補(bǔ)償電路與PWM生成電路和驅(qū)動(dòng)電路組成。隔離反饋電路主要由光耦P521與精密穩(wěn)壓管TL431組成，把輸出電壓隔離后反饋給控制芯片。PI補(bǔ)償電路與PWM生成電路由芯片SG3525來實(shí)現(xiàn)其功能。驅(qū)動(dòng)電路用于把PWM信號(hào)分成兩路獨(dú)立的信號(hào)G1，G2，分別用于驅(qū)動(dòng)MOS管VQ1，VQ2。這四個(gè)部分構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)輸出電壓調(diào)節(jié)占空比，最終使輸出電壓穩(wěn)定。
雙管正激直流變換器工作在電流連續(xù)模式下的兩個(gè)工作狀態(tài)可用如下的簡(jiǎn)化電路來表示(為了便于分析，忽略MOS管的導(dǎo)通電壓、導(dǎo)通壓降以及寄生電容，把變換器簡(jiǎn)化成兩個(gè)工作狀態(tài)：開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)與開關(guān)閉合狀態(tài))：
雙管正激變換器工作過程為：MOS管導(dǎo)通時(shí)，初級(jí)側(cè)電流流經(jīng)上管VQ1，變壓器初級(jí)，下管VQ2后返回電池組負(fù)極。在這個(gè)過程中勵(lì)磁電流逐漸增大。次級(jí)側(cè)整流二極管VD3導(dǎo)通，續(xù)流二極管VD4截止，電池組通過變壓器給負(fù)載提供能量，并且給輸出屯容充電。MOS管截止時(shí)，初級(jí)側(cè)兩個(gè)MOS管截止，勵(lì)磁二極管VD1，VD2導(dǎo)通，勵(lì)磁電流逐漸下降為零，對(duì)變壓器進(jìn)行磁復(fù)位。次級(jí)側(cè)整流二極管VD3截止，續(xù)流二極管VD4導(dǎo)通，存儲(chǔ)在電感中的電能為負(fù)載提供電流。見圖2、圖3。

2 相關(guān)電路的設(shè)計(jì)
2．1 控制電路與補(bǔ)償電路
雙管正激變換器控制電路選用了SG3525控制芯片，與其他控制芯片相比，SG3525去除了限流比較器，改由外部關(guān)斷信號(hào)輸入端來實(shí)現(xiàn)限流功能，同時(shí)還具有逐個(gè)脈沖關(guān)斷和直流輸出電流限幅功能，適合輸出低電壓大電流變換器。實(shí)際使用中，在引腳10上接電流檢測(cè)信號(hào)，來對(duì)輸出電流進(jìn)行限制。SG3525還具有欠壓鎖定功能，當(dāng)芯片供電小于8 V時(shí)，芯片無PWM信號(hào)輸出，變換器也無輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。為保證雙管正激變換器中的高頻變壓器在一個(gè)周期內(nèi)完成磁復(fù)位，根據(jù)變壓器勵(lì)磁電感的伏秒平衡原理可知變換器的占空比必須小于0．5。通過調(diào)節(jié)SG3525外圍的定時(shí)容CT，定時(shí)電阻RT，以及放電電阻RD來設(shè)定PWM的最大占空比以及死區(qū)時(shí)間?？刂齐娐肥褂肞WM控制芯片SG3 525，外圍電路簡(jiǎn)單。電路中的鋸齒波頻率由RT，CT和RD決定，取CT=1．5 nF，RT=5．1 kΩ，RD=220 Ω。根據(jù)公式f=1／[CT(0.7RT+3RD)]計(jì)算出振蕩器輸出頻率約140 kHz，PWM信號(hào)頻率約為70 kHz。軟啟動(dòng)功能引腳接一個(gè)4．7μF的電容。當(dāng)電容充滿電，SG352的8腳為高電平時(shí)，SG3525才開始工作。穩(wěn)定的系統(tǒng)要求回路開環(huán)BODE圖在剪切頻率出幅值斜率為-20 dB／dec，至少有45°的相位裕量。雙管正激直流變換器采用二型補(bǔ)償電路(見圖4)，其傳遞函數(shù)為：

設(shè)計(jì)時(shí)將穿越頻率設(shè)定為1／4開關(guān)頻率；零點(diǎn)頻率設(shè)為1／4濾波器諧振頻率，增加中頻段相位裕量；極點(diǎn)頻率設(shè)為1／4濾波電容自身容阻頻率，增加高頻段的衰減。由