功率变换部分设计113.pdf

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1、功率变换部分设计 功率变换部分采用半桥电路。一主变压器的设计 主变压器的输入电压为 PFC 输出电压，模块的额定输出电压为 220V，变化范围为90%-130%，主变压器采用 PHILIPS 公司的 E65/32/28 型磁材两对（四只）。输入电压 Vin=380V420V 输出电压 Vout=198V286V 工作频率 f=F/2=40k 对于 E65 磁材：截面积 2361008.11027202mS B 值为 Bsat=450mT 工作中取 Bmax=200mT 最大占空比 D=0.85 变压器原边匝数 3.910401008.1102002285.038022333maxmax(min

2、)min11fSBDVSBtVninon 原边绕组取 9 匝 在最高输出电压时，占空比最大，此时变压器副边电压为 33685.0286max2DVVO 所以，变压器副边绕组为 9.1591903361122nVVn 副边绕组取 16 匝 变压器变比取 16921nnn 为了保证设计的变压器符合要求，需要对设计好的变压器参数进行校核；在最高输入，最低输出的情况下：53.0210198169maxmin21maxioVVnnD 在最低输入，最高输出的情况下，85.0190286169minmax21maxioVVnnD 正常工作时，mTSntVBBoi20510801009.1985.019023

3、31maxminmax 励磁电流 ALtVIonil5.110809108400285.01903291(max)min 从计算的结果来看，变压器的设计是合理的。实验的结果也证明了这一点。二输出滤波电感的计算 为保证模块的正常工作，在模块最小输出电流的情况下，滤波电感中电流的波形应保证连续，这就决定了滤波电感有一个最小值。在模块的设计中，为保证模块在空载情况下工作，模块内部有一死负载，在输出电流达到一定值时，死负载可以切掉，模块内部的死负载由两个 50W-2K 电阻组成。在正常工作时，模块的最小输出电流 ARVI23.010123030min0死 为保证输出滤波电感中的电流保持连续，输出滤波电

4、感的最小值为 mHtIVnnVtIVVLonOoonOo2.1108085.023.02286916190223maxminmax12min1maxminmaxmin2min 输出滤波电感取 1.2mH，采用1.08 漆包线两根绕制，绕组的平均电流密度为：222/5.554.014.32102mmAdIIO均 磁材采用北京浩阳公司生产的高磁通粉芯 H60 563220，磁环具有最高的饱和磁通密度，其饱和磁通密度高达 15000（GS），而且铁损较低，允许工作温度可以高达 200 H60 磁环的主要参数如下：截面积 2240220)3256(2)(mmHdDS 磁路长度 mmdDl1382)32

5、56(14.32)(电感系数 nHlSuuAL1311013810240601014.343670 绕组匝数 )(9610131102.193匝lALn 此时，磁环的直流磁化强度 H 值为 )(868.13109514.34.04.0奥lnIH 根据厂家提供的 H60 材料的特性曲线，在上述 H 值下的增量磁导率为 70%左右，电感值降为原来的 70%，变化不大，不会影响模块的稳定工作。在最大电流时，磁环的磁感应强度为 TASInBl52.01013110240109596max 由于高磁通磁环的饱和磁感应强度为 1.5T，磁环并不会饱和。三开关管的选择 模块的 DC-DC 部分采用半桥电路，

6、主开关管采用 IR 公司生产的 IGBT，型号为IRG4PC50W，在最高输出电压、最大输出电流的情况下，整流模块的最大输出功率为：WIUPoOO286010286maxmax 考虑 DC-DC 部分的效率在 94%左右，变压器原边输入电压为 190V，因此变压器原边的平均电流为 AVPIout1619094.0286011 此时，占空比为最大，85.0maxD 所以，通过开关管的平均电流为 ADII1985.016max1均 为保证模块的可靠性，DC-DC 部分采用双管并联的工作方式。IR 公司生产的 IRG4PC50W 的主要技术参数如下；)(CasetoJunctionRJC 0.64/

7、W)(SinktoCaseRCS 0.24/W)120,5.13(CAVOCE 1.5V)120,5.13(CAEOJ 0.3mJ 对于单只 IGBT 来说，其流过的平均电流为 9.5A，工作频率为 40k，其损耗为导通损耗与开关损耗之和。开关损耗 WfEPJ12103.0104033开 导通损耗 WDIVPCE4.8485.0195.122max均导 总损耗 WPPP4.204.812导开 对于 IRG4PC50W 来说，其结点到本身自带散热器的热阻为：88.024.064.0CSJCzRRR/W 模块所的导热绝缘膜采用美国贝格斯公司的 Sil pad-2000 材料，其热阻为 0.2/W。

8、外壳散热器表面到结点的温升为：224.20)2.088.0()(1PRRTZ膜 采用合适的散热器，在风冷的方式下，散热器的热阻可以低于 0.1/W，模块的总输出功率为 2860W，按 90%的效率考虑，则散热器最大温升为 6.28%1028601.02T 在老化时，环境温度为 40，模块内部环境温度有 10温升，则总的环境温度为 50，结点温度为 1006.28225021TTTTJ 由于芯片的允许结点温度为 150，还留有 50的余量，而且在正常工作时，由于环境温度还要低，模块的工作会更加安全。四副边尖峰电压的抑制 在硬开关电路中，由于在变压器电压建立之前，副边二极管处于续流状态，二极管的反

9、向恢复时间的存在，使二极管上出现很大的电流尖峰，这是硬开关电路不可避免的，该电压尖峰的存在，一方面增加了模块的噪声，同时过高的尖峰还会造成模块的损坏。在模块的设计过程中，输出整流二极管采用 DSEI60-10A，其耐压值为 1000V，开发过程中发现，在满载输出的情况下，二极管上尖峰电压与正常电压基本上为 1：1 的关系，二极管上的峰值电压能够达到 800V。对于 1000V 的二极管来说，在满载情况下，开机瞬间的冲击就有可能导致输出整流二极管损坏，造成模块的故障。由于二极管上的尖峰是由于寄生电感、寄生电容的存在而产生的，而且随着寄生电感的增大、寄生电容的减小、导通电流的增大而增大，在最大输出

10、电流一定的情况下，二极管上的尖峰就只能通过减小寄生电感或增大寄生电容来减小了。为减小寄生电感，一方面是改善布线，另一方面是改变变压器的绕制方式，减小变压器副边的漏感。在变压器的绕制中，采用铜皮绕制，匝间耦合紧密，变压器副边漏感明显减小，相对采用导线绕制的变压器，副边的漏感由原来的 4.6uH 下降为 2.1uH，但是输出整流二极管上的尖峰的幅值并没有明显的减小，在额定情况下工作半小时后，尖峰仅由原来的 800V 下降为 720V 左右。更改变压器前后的波形大致如下图所示；导线绕制变压器铜皮绕制变压器漏感漏感 采用如右图所示的 RC 吸收电路，可以等效的认为是增加了二极管的并联电容容量，也可以减

11、小二极管的尖峰电压。由于电容在二极管导通时吸收的能量，需要通过电阻来放掉，如果采用小的电容，起不到吸收的作用，较大的电容会造成电阻上的损耗过大。在实验的过程中间，我们经过多次实验，最终发现采用 6 个 5W/150 欧电阻串联和 1nF 的吸收电容效果较好，吸收前后波形如下图所示。RC吸收前吸收后 从上图中我们可以看出来，采用 RC 吸收电路，震荡周期明显减小，尖峰幅值也降低，在满载时测量，峰值电压在 650V 左右，二极管的余量也基本满足，但是，第一个尖峰无法彻底吸收。而且电阻的损耗也不小。在 RC 吸收电路中，电阻的损耗大致为：4.1410806001021213292fCUPW 如此高的

12、电阻损耗，在模块正常工作时，就需要大功率的电阻来耗散。为了彻底吸收副边二极管上的尖峰，减小电阻损耗，我们又实验了下面的吸收方式：在电路中，采用大电容吸收，大电阻放电。采用大电容增强尖峰吸收能力，大电阻放电，电容电压下降较小，不会在下一次电压建立时由于电容瞬时短路造成更大的尖峰，而且损耗小。在副边电压建立瞬间，当副边电压高于电容 C1 上电压时，二极管 D1 导通给电容充电，利用大电容 C1 来吸收副边的尖峰。当副边续流时，二极管 D1 反向截止，电容上的电压通过 R1 向负载放电。直到下一周期的开始。二极管上吸收前后的波形图如下图所示。吸收前吸收后 在上述电路中，应该电容越大，吸收效果应该越好

13、，为验证这个推断，我们作了以下的实验；实验条件；额定输入，输出 220V，电流 10A，强制风冷 1）不加吸收 结果 V1=820V，V2=400V 尖峰为正常电压的 1.05 倍 2）C1=222，R=3K 结果 V1=640V，V2=400V 尖峰为正常电压的 0.6 倍 3）C1=472 R=3K 结果 V1=580V，V2=400V 尖峰为正常电压的 0.45 倍 4）C1=103 R=3K 结果 V1=500V，V2=400V 尖峰为正常电压的 0.25 倍 最后，模块的吸收电路数据采用 C1=0.012uF，R1=4.5k，在满载输出的情况下，模块的输出电压的尖峰值不到 500V，

14、对于 1000V 的二极管来说，余量已经足够了 在电路中，由于电容电阻均足够大，电容上的电压基本保持不变，电阻上的压差也是恒定的，在浮充电压下，电阻的损耗为：6.54500)240400()(22RVVPocW 很明显，电阻的损耗也明显的减小。通过以上的实验电路可以看出，在所有的吸收电路中，采用能量回馈的 RCD 吸收电路是最有效的。五其余辅助电路的工作原理 1风机控制电路：风机控制电路部分主要是来控制风机的工作温度及停止温度，温度传感器 V80 采集模块的温度，电阻 R119，R120 设定了风机工作温度点，当温度低于设定值时，比较器N6:A 输出高电平，三极管 V88 导通，继电器吸合风机

15、不工作，当模块温度高于设定值时，比较器输出低电平，三极管不导通，继电器断开常闭触点闭合，风机工作，同时比较器输出低电平将参考(N6:A3 脚)电平拉低，形成一滞环，使温度下降后风机才能停止工作。2均流电路 风机控制均流电路电流信号均流母线 模块的均流电路采用“民主”均流方式，均流电路的主要部分为一差动放大电路，该差动放大电路有 90 倍的增益，这样，即使模块本身与均流母线有很小的差值，经 90 倍放大后，也可以迅速的调整过来.当模块本身电流电压高于平均值(均流母线)时，集成电路 N1:A 输出低电平，将参考拉低，模块输出电压降低，模块的输出电流亦下降，从而实现模块的均流。3遥控开关机 模块的遥

16、控开关机通过光耦实现，当在光耦原边施加高电平时，光耦导通，主要有两个作用：1)15V 电压通过二极管 V57 使三极管 V62 导通，将 V55 的控制端电平下拉到 0V，使 MOS管 V55 关断，将均流电路切断。（如果模块关机，均流电路不切断的话，将使均流母线呈现低阻态，影响其他模块间的均流。）2)+15V 电压通过二极管 V60 加到 RP4 上，使控制芯片的软启动端(8 脚)电平降到 0V，模块输出亦降到 0V，从而实现了关机，当外加电压撤除后，模块重新启动 另外，模块还具有其他的一些功能，像遥测、遥调、稳流等，通过监控单元的控制与调节，可以实现模块的自动工作，从而实现系统的智能话管理

17、。六模块的保护电路 1模块的过温保护 过温保护主要是为了在风机失效的情况下来保护模块，当模块的风机控制电路或风机出现故障的情况下，风机无法工作，模块的热量无法散出，这样模块的温度会越升越高.为了保护模块不被损坏，模块内部设置了过温保护，在温度高于保护点时，模块内置的温度继电器断开，将辅助电源切断，模块内所有辅助电源停止工作，模块亦停止工作.模块的过稳工作点为 80 度。2.过欠压保护电路，限压保护电路 过欠压保护电路主要是采用比较器来实现，模块输出电压过高时，比较器 N4:B 脚 5 电位高于脚 6，比较器输出高电平.该高电平一方面使可控硅 V3 导通，使模块的软启动端降为0V，模块无输出;另

18、一方面使光耦 V51 导通，向监控提供故障信息.同理，输出电压低于设定值时，N4:A 脚 2 电平低于脚 3，比较器输出高电平.欠压故障灯亮;同时监控告警.欠压与过压的不同之处在于欠压仅仅告警，并不关机.输出限压为比较器 N4:C，模块输出取样连接到 9 脚，参考连接到 10 脚，当输出采样高于参考时，比较器输出第电平，将参考(SG2525 脚 2)拉低，模块输出电压下降，从而实现了模块的限压功能.电位器 RP3 可以调节模块的限压值.3.短路保护;短路保护由两级保护组成，当负载逐渐增大时，电路首先工作于限流状态，电流增大时，通过限流回路将软启动端电平拉低，驱动信号占空比减小，输出电压降低，达到限流的目的。当负载突然变化时（例如短路），模块电流突然大幅度增大，此时限流环节来不及工作，此时就需要过流保护将模块迅速关断，否则会造成模块的损坏，过流保护电路采用 NE555组成的单稳态电路，当模块电流大于设定值时，单稳态触发器反转，输出高电平，将模块关掉，经一段时间延时后，单稳态触法器输出变为低电平，模块重新启动，如果此时故障没有排除，则模块又关机保护，重复如此，直到短路故障排除。