（机械电子工程专业论文）基于buck电路的弧焊电源功率平台研究.pdf

独创性声明 m l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l i l m 1 ) 1 l l l l l l 瑚 y 17 8 8 3 3 0 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：拯日期：组2 1 笸。2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：丝丝：乏：2 摘要 摘要 当今社会发展对生产加工要求的精度越来越高，同时对设备电源的动态响应 性也提出了更高的要求，快速的动态响应性可以有效地促进和提高生产加工的精 度。比较逆变电源和斩波电源在实现快速动态响应性方面的优缺点以及通过对焊 接电源原理的研究，设计了一台以m o s f e t 作为开关管、b u c k 电路作为电源 主回路拓扑，工作频率5 0 k h z 的斩波电源，并给出了总体的设计方案。 本电源主电路采用了模块化设计，该模块整体结构紧凑、并具有良好的对称 性，各个器件之间采用平整的紫铜排进行连接；在驱动电路板和m o s f e t 栅极 之间采用导电性良好的紫铜柱进行连接，线路长度相同保证了驱动信号传输的 致性。本设计的电源模块有效解决了m o s f e t 均流的问题；模块设计减小了主 电路回路杂散电感的存在，很大程度上抑制了m 0 s f e t 漏源电压尖峰，实测漏 源尖峰电压在2 1 0 v 左右，大大增大了m o s f e t 工作的安全系数。 电源控制电路是以s g 3 5 2 6 为核心控制芯片的模拟脉宽调制电路，采用i i 模式的控制方式，以输出电流作为反馈量，实现了对弧焊电源的闭环控制。为了 保证电源系统的安全工作，作者设计了过热和限流保护电路，提高了系统的安全 系数。在开关管驱动电路的设计中，作者选取了一款m o s f e t 专用驱动芯片 d d 4 1 4 ，通过理论计算和实际试验测试，得出该芯片驱动能力能够满足设计的 要求。此外为了进一步保证m o s f e t 的安全工作，作者设计了m o s f e t 吸收电 路，采用r c d 吸收的缓冲网络，通过理论计算和实际试验调试，使m o s f e t 在 输出额定电流时的漏源电压尖峰远小于开关管耐压值，能够保证器件正常安全工 作。 电源系统的控制电路和主电路设计完成之后，通过对控制电路、驱动电路以 及主电路的实际调试，系统工作状态正常、输出稳定、动态响应性好，实际测试 表明，基于该功率平台的弧焊电源能够满足设计的要求。 关键词：b u c k ；模块化设计；动态响应性 北京t 业人学t 学硕 j 学位论文 i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i 廿lt l l ed e v e l o p m e n to fs o c i a lp r o d u c t i o n ，p r o d u c t i o n 觚dp r o c e s s i n gr e q u i r e d h i g h e rp r e c i s i o n a n dt h e i l ，t h ep o w e ra l s or e q u i r e db e t t e ri l y n 锄i cr c s p o n s e 1 1 l e b e h 髓 d ) ，i l a m i cr e s p o n s eo fp o w e rc 觚p r o m o t e锄di m p r o v em ea c c u r a c yo f p r o d u c t i o n 锄d p r o c e s s i n ge 日、e c t i v e l y c o m p a r e d w i t ht h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a i l t a g e s o fi n v e r t e ra n dc h o p p e rp o w e r ，t h ea u t h o rc h o s et h e p r o 乒锄o f c h o p p e rp o w 瓯t h r o u g hm es t u d yo ft h ep r i n c i p l eo fd cc h o p p e rp o w e rs u p p l y t h e 妇h a u sd e s i 踮e dal l i 曲仔e q u e i l c yb u c kc o n v e n e rm a te x p o r ts t e a d ys 仃e 锄，a n d a l 舀v 锄t h eo v e r a l ld e s i 盟p r o 黟锄 t h ea u t h o rd e s i g n e dm em a i nc i r c u i tm o d l j l e ；m eo v e r a l ls t m c t u r ew a s c o i i 】i p a c t 锄dh a dag o o ds y l l 硼e t 彤t 1 1 ev 撕o u sd e v i c e sw e r ec o n n e c t i n gb yf l a tc o p p e rr o w t h ed e s i 印o ft h ep o w e rm o d u l ee 彘c t i v e l ys 0 1 v e dt h ep r o b l 锄o f 删t s h 撕n g ， 砌u c e dt l l ec i r c u i t1 0 0 p s t r a yi n d u c t a i l c eo ft h ee x i s t e i l c e ，l 硐卿yi n h i b i t e dt l l e m o s f e td r a i n s o u r c ep e a l ( v 0 1 t a g e ，t h em e a s u r e dd r a i n s o u r c ep e a l ( v 0 1 t a g ew 嬲 2l0 、趾di th a sl a r g e l yi n c r e a s em em o s f e tw o r ks a f e t yf a c t o r t h ec o n 仃d lc i r c u i to ft h ep o w e rw a sp w mc o 蛐r o l a 1 1 a l o gc i r c u i t ，i tw a s d e s i 朗e db a s e do ns g 3 5 2 6 ，u s e di ic o n t r o lm o d e ，s e tu pt h eo u t p u tc u r r e n t 嬲a 南酣b a c k 锄dr e a l i z e dt h ec l o s e d l o 叩c o n t r o lo fa r cw e l d i n gp o w c rs 伽【r c e t h ep o w e r s o u r c ec o n 呐lc i 删td e s 弛t a k es g 3 5 2 6a sm ec o r ec o n 们l c h i p ，l l s e st h ei ip 砒e n l m ec o n 仃o lm o d e ，m eo u q ) u tv o l t a g ea l l dm ec l e c t f i c tt a l 【e sn l ef e e d b a c k q 硼n t i 坝h 鹤r e a l i z e dt ot h ea r cw e l d i n gp o w e rs o u r c e sc l o s e d - l o o pc o n t r o l ，a n dh 嬲 d e s i 印e db a s e do nt 1 1 es g 3 5 2 6s i m u l a t i o np ia d j u s t m e n tl i 咄a l l dm a yr e a l i z et ot h e c u 盯e n tl i m i t i n g ，o v 砒e a t e da r l ds oo nc o n t i n g e n c yp r o t e c t i o n p r o c e s s i n g o t h 盯， m m u g l lt 0s i m u l a t e dm ep ip a r 锄e t e rt h ea 由u s t m e n t ，廿1 ee x p e r i m 朗ti n d u c e s 1 ep i p a r a m e t e ro p t i m u mm a t c h i n g ，m ee l e c 砸c a lp o w e rs y s t e mo u 印u th a sb e e ns t a b l e ，a n d m ed ”锄i cr e s p o n s et i m ei n3 0 0 u s ，h a sm e tt h ed e s i 印r e q u i r e n l e i l t sb a s i c a l l y a r e rt h ed e s i g no fc o n t r o lc i r c u i ta n dt l l em a i nc i r c u i to fm ee l e c t r i c a lp o w e r s y s t e mc o m p l e t e l y b yd e b u g 舀n gt h ec o n t r o lc i r c u i t ，m ed 订v i n gc i r c u i ta n dt h em a i n c i 砌l i t ，e n a b l e dm es y s t 锄o u t p u ts t a b l ea i l dw o r k e dw i mg o o dd y i l 锄i c r e s p o n s i v e n e s s ，s ot h es y s t e mc a i lr e a l i z em eh i 曲a c c u r a c yc o n 仃0 1 k e y w o r d s ：b u c k ；m o d u l ed e s i g n ；d y n a m i cr e s p o n s e i i l 北京t 业人学t 学硕 ：学位论文 i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目蜀毫v 第一章绪论一1 1 1 课题背景l 1 2 常用电路拓扑结构对比1 1 1 1 全桥逆变电路2 1 1 2 单端电路3 1 1 3 斩波电路4 1 3 本课题研究内容5 第二章电源主电路设计6 2 1 电源主电路拓扑6 2 1 1 电感电流连续时主电路的工作原理和基本关系7 2 1 2 电感电流断续时b u c k 转换器的工作原理和基本关系8 2 1 3 电感电流连续的边界9 2 2 主电路器件的选择9 2 2 1 功率开关管的选择9 2 2 2 续流二极管的选择1 0 2 2 3 输出滤波电感的选择1 1 2 2 4 输入滤波电容的选择12 2 3 主电路模块结构设计1 2 2 3 1m o s f e t 安全工作问题12 2 3 2 模块整体结构优化15 2 4 本章小结：。16 第三章控制电路设计l7 3 1 电路控制方式的选择1 7 3 1 1 系统控制模式原理1 7 3 2s g 3 5 2 6 芯片介绍l8 3 2 1s g 3 5 2 6 特点18 3 2 2s g 3 5 2 6 各个单元的功能和工作原理1 9 3 3 脉宽调制电路1 9 3 3 1s g 3 5 2 6 输出外围电路的设计2 0 3 4 保护电路的设计2 3 3 4 1 过热保护电路2 3 3 4 2 限流保护电路2 5 3 5 采样电路2 5 3 6 吸收电路2 6 3 6 1 r c 吸收电路2 6 3 6 2r c d 吸收电路2 8 3 7 驱动电路2 9 北京t 业人学工学硕1 ：学位论文 3 7 1 驱动芯片的计算选取2 9 3 7 2ix d d 4 1 4 驱动芯片介绍3 0 3 7 3 驱动电路设计31 3 7 4 驱动电路验证3 2 3 8 本章小结。3 3 第四章电源系统测试3 4 4 1 系统控制电路测试3 4 4 2 整机调试3 5 4 2 1 驱动波形测试3 5 4 2 2m o s f e t 漏源电压测试3 5 4 2 3 闭环系统测试3 6 4 3 模拟pl 调节测试3 9 4 3 1 系统pl 调节仿真实验3 9 4 3 2 系统pi 调节实际试验4 1 4 4 系统动态响应性测试4 5 4 4 1 开环动态性能分析4 5 4 4 2 系统动特性测试4 6 4 5 本章小结4 6 结论4 9 参考文献5 1 攻读硕士学位期间取得的研究成果5 5 致谤i 。5 7 v l 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 焊接是将材料永久连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。几乎所有的 产品，从几十万吨的巨轮到不足l 克的微电子元件，在生产中都不同程度地依赖 焊接技术。焊接已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性、 寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度。 近年来，焊接结构件正朝着质量轻、体积小、精度高的方向发展，尤其在微 电子技术、航天工业等领域要求焊接飞溅小、焊接过程稳定、质量可靠【l 】。随着 器件、仪器、设备精密化程度的提高，在生产加工时要求焊接的过程也更加可靠， 焊接输入能量必须能精密控制，以获得质量可靠、表面美观的产品。这样以来， 在生产焊接过程中，除了要求工艺方面的改进以外，对焊接电源的动态响应性也 提出了更高的要求。 精密焊接电源是提高焊接质量的保障，电源系统输出的稳定程度以及动态响 应的速度直接影响到焊接过程的稳定性和焊接过程的精密控制。目前，中国国内 知名的电焊机生产厂家例如：北京时代、唐山松下、凯尔达等在焊接设备的研制 和生产上都有了很大的发展，但是电源控制的精密程度与世界先进水平还有一定 的差距，并不能满足生产对焊接过程稳定性和质量可靠性方面的要求，另外，国 内生产厂家在精密加工上对国外高性能焊接电源没备的依赖程度还很高。国外高 性能焊接电源设备，例如：德国的c l o o s 、奥地利的f r o n i u s 、美国的l i n c o n 、芬 兰的k e n p p i 等，应用起来价格比较昂贵，维护也极为不便，对我们生产的发展 造成了很大的制约。 因此，综合以上方面的考虑，研制动态响应更快、输出更加稳定、成本更低 的精密焊接电源设备具有非常现实的意义。 1 2 常用电路拓扑结构对比 精密焊接电源要求电源本身输出更加稳定并具有更好的动态响应性，改善电 源本身的动态响应性是精密焊接的必要条件，加快电源系统的动态响应速度可以 从电源控制系统和电源主电路拓扑本身的特性这两个方面进行改进，另外提高电 源设备的工作频率可以使系统在更短的时间里达到稳态。基于以上原因，选择合 适的主电路拓扑和提高焊接电源的工作频率足我们研究的重点。在本课题方案的 确定过程中对常用的电路拓扑：全桥逆变电路、单端正反激电路和斩波电路在实 北京t 业大学t 学硕： = 学位论文 现电源快速动特性方面进行了横向比较。 1 1 1 全桥逆变电路 逆变焊接电源是当今发展的重点，国际上著名的焊接设备公司，如美国的 m i l l e r 、l i n c o n 公司，瑞典的e s a b 公司，日本的大阪变压器厂等，主流产 品都是逆变电焊机。逆变焊机在欧美国家之间的竞争十分激烈。 全桥逆变电路的一般原理图如图1 1 所示，电路中四个开关管两两交替导通， 较高的开关频率有效地减小了主变压器的体积，这样以来有利于整体设备的小型 化；当四只开关管均关断且续流二极管也停止续流时，主变压器与逆变电路脱开， 滤波电抗器l d 与变压器副边的两个绕组与负载构成闭合回路。在工作过程中， 主变压器磁通有一定幅度的衰减，但由于在一般情况下电抗器的电感比较大，主 变压器磁通衰减的幅度会很小；当在高频变压器原边施加正、负方波电压，并把 主变压器看作理想元件，即忽略主变压器漏抗的影响时，如果变压器正、负脉冲 不对称就会有偏磁产生【2 】，随着偏磁的不断积累，磁心会进入深度饱和的状态， 铁氧体磁心的磁化曲线的非线性度变大，变化斜率随之增大，磁化电流也迅速增 长，造成过流使逆变失败，严重时会烧坏开关器件。 图l l 全桥逆变的原理图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r 锄o ff u l lb r i d g ei n v e r t e r 总结以上原理可以看出：全桥逆变式焊接电源的优点明显：体积小、质量轻、 节能省材，工作频率高，目前，逆变焊接电源的工作频率可以从几k h z 提高到 2 0 l z 以上，控制周期由几十个毫秒变为几十个微秒以内，控制精度显著提高， 易于实现复杂的输出特性，改善焊接工艺。所以逆变焊接电源在自动、半自动焊 接设备，或是专用成套焊接设备上都有着广泛的应用。 然而，全桥逆变电路抗直流偏磁能力差，在空载一短路、负载一短路动态变 化中，如果不采用有效措施提高其抗直流偏磁的能力，则会造成逆变器中高频变 压器偏磁积累，磁心严重饱和，导致电流迅速上升，逆变失败而烧毁元件。因此， 2 第一章绪论 抗直流偏磁是大功率、高频逆变电源的关键问题之一。 逆变电路的缺点虽然采取一定的措施可以得到改善，比如在主变压器设计 时，将磁感应强度的设计值低于饱和值，并留有一定余量，在磁路中加入少量气 隙f 3 】f 4 1 。另外，限制脉冲宽度的变化率，不允许其发生突变；另外，各功率器件 驱动电路的延时应尽量相等；脉冲信号由控制电路向功率级传递放大时，其宽度 的失真也要小，特别不能发生脉冲丢失的现象；逆变器最好还应具有软启动的功 能，防止在系统工作时变压器剩磁引起的逆变颠覆；此外，在需要在高频变压器 原边串联一无极性电容也是比较常用的做法。 以上措施增加了加工的成本和电路的复杂程度，在高频变压器原边串联一无 极性电容，虽然可有效地防止直流偏磁，但电容的存在不仅降低了功率传递效率， 影响逆变器的动态特性，而且在脉冲电压严重不对称时电容上的压降有可能超过 电源电压的1 0 ，使逆变器在电源电压下降或负载波动较大时运行不稳定。 1 1 2 单端电路 单端电路具备全桥逆变电路体积小的优点，而且单端电路相对于全桥逆变电 路来说，不存在上述高频偏磁的问题。但是单端电路的缺点也很突出，如图1 2 所示的单端正激电路，因其高频开关变压器磁通工作在磁滞回线的一侧，所以在 工作过程中必须要进行磁复位，以确保变压器励磁磁通在每一个新的开关周期开 始时能够处于初始值。所以单端正激电路控制信号的占空比不能大于5 0 ，这样 以来，在控制上会带来很大的制约。同时由于电路工作在高频状态下时，开关变 压器漏感、分布电容等寄生参数的影响不能忽略，在开关转换瞬时，电抗元件的 能量充放会导致功率器件承受很大的热量和电应力，并且会引起开关管出现过压 的情况，这不仅意味着设计人员在选用时，必须选用昂贵的高耐压功率开关管， 同时也给电源的可靠性带来了潜在的威胁。为此，常常需要设置各种吸收电路来 改善这种弊端，但这样又降低了变换器的工作效率。 硝 蚋”ll - 2 l 图1 - 2 单端正激电路原理图 f i g 1 2s c h 锄a t i cd i a g r 锄o fs i n g l e e n d e df o r w r a r dc i r c u i t 北京t 业大学r ：学硕上学位论文 单端反激电路虽然没有磁复位的问题，但是反激电路的占空比最好也不要超 过5 0 ，一方面由于最大占空比加大导致正边感应电压加大，而感应电压加大又 有两方面的缺点：1 、导致开关管应力加大；2 、导致匝比加大使得变压器的漏感 加大。第二方面由于占空比超过5 0 有可能使系统不稳定，需要加上一个斜率补 偿电路。这样又增加了电路的复杂程度和不稳定性。单端采取两个单端电路并联 的结构也可以使占空比大于5 0 ，但是这样一来增加了电路的复杂程度，在控制 性上增加了电路的不稳定因素。 图1 3 单端反激电路原理图 f i g 1 - 3s c h 锄a t i cd i a 卸珊o ff l y b a c kc i r c l l i t 1 1 3 斩波电路 斩波电路拓扑与上述两种电路拓扑相比电路结构相对比较简单，不存在变压 器偏磁的问题，更容易实现高频，在控制过程中能够随意伸缩占空比，具有快速 的负载阶跃响应，能够实现良好的动态性能和稳定性，斩波电路这些本质的特性 实现起来比较容易，不需要有额外的考虑，在高精度控制的实现上是理想的选择。 但是由于斩波电源通常使用工频变压器，所以体积较大一直是斩波电源快速发展 的一个瓶颈。 综合以上方面的考虑，本设计采用了更容易实现高频、快速动态响应性更容 易实现的斩波电路即b u c k 电路作为电源的主电路，b u c k 电路具备高精度弧 焊电源的条件，并且电路结构简单，控制容易实现，而且生产成本相对来说比较 低。如图1 4 所示为b u c k 电路工作原理图及在开关管导通和关断时刻的等效 电路。 4 第一章绪论 b u c k 电路 结构 图1 4 b u c k 电路原理图 f i g 1 4s c h 锄a t i cd i a g 随mo fb u c k c i 】煳i t 1 3 本课题研究内容 目前，国内弧焊电源主电路主要采用逆变电路拓扑结构，工作频率2 0 i ( h z ， 动态响应时间大多在6 0 0 一7 0 0 u s ，虽然有的设备也可以做到3 0 0 一4 0 0 u s 以内，但是 实现起来并不容易。 本课题在前期的工作中，对逆变电源和斩波电源进行了对比分析，综合精密 控制实现的难易程度、成本高低等方面的考虑，最终决定研制一个用于实验研究 的弧焊电源功率平台，本课题主要研究内容主要概括下几个方面： 1 ) 设计一台工作频率5 0 k h z 的斩波弧焊电源功率平台，该功率平台最大输出 电流3 0 0 a 、电压3 5 v ，计算选取电路合适的器件，保证电源系统能够安全稳定地 工作。 2 ) 对电路结构进行仔细分析，优化电路结构，在充分考虑系统器件安全工 作条件和系统散热的前提下，对电源结构进行模块化设计，使其结构更加紧凑。 3 ) 通过对电源控制系统模拟p i 参数的归纳调节，使系统动态响应时间能够 稳定在3 0 0 u s 以内，电源系统输出稳定。 5 开关关断斟等效电路 北京t 业人学工学硕_ ：学位论文 第二章电源主电路设计 2 1 电源主电路拓扑 本设计主电路采用b u c k 降压斩波电路，b u c k 降压式电路是一种输出直流电 压小于输入直流电压的单管非隔离式的电路，本设计主回路和工作波形如图2 1 所示。 vl f + u l= 一 i u i 一 r j 一c - 7 s 。 r ul 一 厶 i 图2 】b u c k 电路原理图 f i g 2 - ls c h e i n a t i cd i a g r 锄o fb u c kc i r “ + b u c k 降压式主电路主要由功率开关管v 、续流二极管d 、输出滤波电感l f 组成。功率开关管v 与电源负载r l d 侧电路串联，电路在工作过程中，通过功率 丌关管v 的反复导通和关断来实现对电源系统的脉宽调制( p w m ) 控制，以斩 波器的原理来实现对输出电压u o 的调节；电感l f 用于使输出电流更加平滑( 限 制电流变化率) ，当开关管v 导通时l f 储能；图中d 为续流二极管，当功率开 关管v 关断时，二极管d 导通，与负载和输出滤波电感构成一个续流通路，使 回路电感电流不会立刻中断，这样一来避免了电感感应出的高电压将开关管击 穿。这个续流通路也是电感能量释放到负载的通路。 b u c k 电路有两种工作模式，分别为电感电流连续的工作模式和电感电流断 续的工作模式。当电源回路工作在电感电流断续工作模式下时，电路会有谐振的 产生，影响电源系统的输出状态；当电源工作在电感电流连续的工作模式下时， 系统输入和输出呈线性关系，所以在本电路设计中，采用的是电感电流连续的工 作模式。 6 第二章电源主电路设计 缸 幻 l l 邓一 缸螂： ： l u 扎一| li 一 钆啉： ： i 、t 一 ll。 l 一 i l 磁一 l t 一- 卜 i i l ll l iil l ll lil ltl l l l l ：i 卜葺” l n ：7 i i i - - l i 7。 r 一 i l： i ill iill il ii i 硝争liil liil llli ili l ，1一：h严lili lii l llli lill l卜扣： 1 l l弛也 i l 广一一 刨 一 lll l l 一j l ”了。二二7l l l _ i-l li ( a ) 图2 2 电感电流连续和断续的：l ：作波形 f i g 2 - 2c o n t i n u o 鹏a n di n t e n n i 触l ti n d u c t o rc i l r r tw a v e f 0 m 在图2 2 ( a ) 中，u b c 是功率开关管v 的驱动电压，i b c 是它的驱动电流波形， 在( m 口伽) 时刻期间，功率开关管v 导通：在( 。) 时刻期间，开关管v 关断。t o n 是开关导通的时间，t 0 f f 为关断的时间，那么t s = t o 。+ t o f f 。输出占空比 d u = t o l l t s 。通过调节占空比d u 的大小，就可以调节导通时间t 。n 的长短，以达 到控制输出的目的，也就是脉宽调制的方法【6 j 。 2 1 1 电感电流连续时主电路的工作原理和基本关系 电感电流连续就是输出滤波电感中的电流总是大于零，不出现电流的中断， 通过图2 3 对b u c k 转换器在不同开关模式下的情况做简单的分析。 7 北京t 业大学t 学硕 ：学位论文 vl f l ￥7 广 r ld i l u j i1 ( a ) v 导通 v l f i 毕 。 ： l了 f ( b ) v 关断 图2 3 不同开关模式时的等效电路 f i g 2 - 3e q u i v a l e n tc i r c u i to fd i f | j 踟ts w i t c hm o d e 1 ) 开关模式1 ( o t o n ) 如图2 - 3 中a 所示，在仁o 的瞬间，功率开关管v 导通，电源电压u i 通过 开关管v 加到二极管d 和输出滤波电感l f 上，续流二极管d 关断。输出滤波电 感上的电流i l f 呈线性增加。而当阿。n 时，电感电流i l f 达到最大值i l f h m x ，在开 关管v 导通期间，i l f 的增加量i l f 。+ ，为： i l f ( + ，：罢芸t 0 n ：旦半d u t s ( 2 - 1 ) l il i 2 ) 开关模式2 ( t o n t s ) 如图2 3 中b 所示，在卢t 瞬间，功率开关管v 关断，电流i i f 通过续流二 极管d 继续通流。此时加在电感l f 上的电压为u o ，流经的电流i l f 也呈线性减小。 在阿。瞬间，电感电流i l f 达到最小值i l f h l i n o 那么开关管v 关断期间，电流i l f 的 减小量i l “) 为： 蛳= 等( t s - t 0 n ) = 等( 1 _ d u ) t s ( 2 2 ) 在研。瞬间，开关管v 又导通，开始下一个开关周期。 开关管v 导通期间，流过开关管的电流和流经电感的电流一样都是i l f 在开 关管v 关断期间，流经续流二极管d 的电流也是i l f o 2 1 2 电感电流断续时b u c k 转换器的工作原理和基本关系 图2 2 ( b ) 所示为电感电流断续时的b u c k 降压式p w md c d c 转换器的 主要工作波形，在这一时刻有两种开关模式【7 】： ( 1 ) 功率开关管v 导通，电感电流由零增大到最大值； ( 2 ) 开关管v 关断，续流二极管d 续流，电感电流从最大值下降到零； 当系统工作在电感电流断续的工作模式下时，输出电压与输入电压的比值不 仅与占空比有关，而且与负载电流的大小也有关。如果负载电流为零的时候，那 么不管占空比多大，输出电压一定等于输入电压，即u o _ u i 。 电感电流断续工作可以分为两种典型的情况，分别为输入电压u i 不变，输 出电压u 。变化和输入电压变化，输出电压u o 恒定。 8 弟一荦吧冻土 u 路砹计 2 1 3 电感电流连续的边界 如图2 - 4 所示为电感电流临界连续时候的电感电流的波形，它的特点是在开 关管关断的末期，也就是当阿。的瞬间，电感电流刚刚好下降到零，显然这就 是电感电流连续和断续工作状态的边界。 u b e o i i i i 二；乒舔二；么 、 弋二 t 0 nt s t 图2 _ 4 电感电流临界连续时的i l f 波形 f i g 2 - 4t l l ew a v e f o l mo f i l fw h e i li l l d u c t o rc u 玎e n tc o n t i n u o 璐 这个时候，负载电流和电感电流之间的关系为： i o ：! l f m a 】【 ( 2 3 ) 2 如果用i o g 来表示临界电流连续时候的负载电流i o ，那么就有： i o g = 罴d u ( 2 - 4 ) 以上就是b u c k 电路的两种工作模式，通过分析可知，当电路工作在电感 电流不连续导通模式下的时候，实践测试结果表明，会有谐波产生，进而产生电 磁干扰等问题；在电感电流连续工作模式下，主电路输入和输出成线性关系8 】【9 】。 所以在本设计中，主电路采用电感电流连续的工作模式。 2 2 主电路器件的选择 在本设计电源系统的主电路中，主要由功率开关管、续流二极管、输入滤波 电容、输出滤波电感等器件组成，计算选取合适的器件是系统正常工作的根本保 障，并有利于从稳态上实现电源系统良好的动态响应性。 2 2 1 功率开关管的选择 在电源系统的主电路中，功率开关管是最为重要的功率器件。当今焊接电源 领域，i g b t 是应用比较广泛的功率开关器件，它不但具有非常好的导通特性， 而且也具有容易驱动，安全工作区宽，峰值电流大，坚固耐用等特性。但是，相 9 北京t 业大学t 学硕l ：学位论文 对于功率m o s f e t 来说，i g b t 的开关速度低于功率m o s e t 。功率m o s f e t 具有 开关速度快，峰值电流大，容易驱动，安全工作区宽，d v d t 耐量高等优点，在小 功率电子设备中得到了广泛应用【1 0 】【1 1 1 。但是，由于m o s f e t 的导通特性受其额 定电压的影响很大，而且当工作电压较高时，m o s f e t 固有的反向二极管导致通 态电阻会相应地增加，因此m o s f e t 在大功率电子设备中的应用受到了很大的限 制。 在本设计中，功率开关管工作频率为5 0 k h z ，对比i g b t 与m o s f e t 的优缺 点，最终选取功率m o s f e t 作为主电路中的开关器件。与i g b t 相比，m o s f e t 开关速度快，导通电阻稳定，非常适应于高频的工作场合。同时，m o s f e t 的导通 电阻具有j 下温度系数，可以并联使用来扩大其电流容量。在低压大电流场合，使 用多个m o s f e t 并联工作，能够获得比i g b t 更高的效率。 综合以上考虑，在本设计电路中，功率开关管选用的是功率m o s f e t ，并 且采用多个m o s 管并联的形式。 ( 1 ) 额定电压的确定： b u c k 电路直流输入电压为7 5 v ，根据经验估算得线路尖峰电压最高为2 5 0 v 左右。另外，考虑到系统最大输出电流3 0 0 a ，回路在大电流输出情况下，在开 关管关断时刻线路杂散电感对开关管的冲击会产生很高的电压尖峰，所以为了保 证开关管工作的安全性，在确定额定电压时保留尽量大的余量，最终选择标称耐 压为5 0 0 v 的m o s f e t 。 ( 2 ) 额定电流的取值 当系统输出3 0 0 a 时，在实际工作中，有时峰值电流会冲到很高。尤其是作 为焊接电源应用时，峰值电流可能会冲到4 5 0 a 以上，选择时需要留有一定得余 量值，取额定电流为5 0 0 a 。采用五个m o s f e t 并联的形式时，每个m o s 管额定电 流为1 0 0 a 。 另外，在满足额定电压和电流的基础上，对比参考各个型号器件的反向恢复 时间、导通电阻、开通电压、安全工作区间等因素，最终选取的是i x y s 的 i x f n l o o n 5 0 p 的功率m o s f e t 。器件的主要参数如下： v d s s = 5 0 0 vi d 2 5 = 9 6 a r 删4 9 1 1 1 q ， t 丌2 0 0 n s 2 2 2 续流二极管的选择 续流二极管上的电压应力的大小等于输出电压，流过的电流为输出电流。在 一个开关周期内，流过滤波电感的电流基本保持不变，与流过m o s 管的电流一 致取3 0 0 a ，系统工作时额定输出电压3 0 v 左右，留取足够大的余量，另外考虑 到器件参数匹配和价格等方面的因素，最终选取额定电压5 0 0 v 。在电路工作过 程中，因为续流管的导通频率为5 0 k h z ，故选用反向恢复时间较小的快速恢复 二极管。恢复时间要几百个纳秒。 l o 第_ 二章电源土电路设计 另外，为了提高电流定额流量，同样采取多个二极管并联的形式。 综合以上考虑，最终选取的是i x y s 的d s e l 2 1 0 1 0 5 a ，其主要参数为： v r i u 产5 0 0 vi f a 、礓i = 2 9 6 a t r r 3 5 傩 2 2 3 输出滤波电感的选择 在滤波电感的计算中，我们根据最小临界连续电流来选取滤波电感量。因为 在续流二极管侧并联的组合变换器只有一个滤波电感，因此其中的电流脉动就是 输出端的电流脉动。当电感阶梯斜坡电流的阶梯降为零的时候会出现不连续状 态，因为直流输出的电流为斜坡中点值，不连续状态会在最小电流，。曲等于斜坡 幅值一半时候开始。当主电路工作在连续模式时候，该电感电流脉动为( 也 就是电感电流减小量) ： 。 三：( 竺二丝! 生 i t o n = 豢 ( 明一踟) t o n = 二- - - - - - - - - - - - - 二- - - - 一 2 l l n i 。 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 其中，u i 为输入电压为7 5 v ；输出电压u o 取3 0 v ；开关工作频率为5 0 k h z ； 又因为系统工作在电感电流连续的工作模式下，由式2 6 得开通时间t 0 n 为8 u s ； 将以上各个参数代入式2 5 计算得：l 芦1 8 u h 。 此时计算所得到的电感值是保持电流连续状态的最小取值，实际选取时候考 虑电路直流和交流损耗，最后经过实际试验测试选用l = 2 8 u l l 的滤波电感，如图 2 5 所示为基值1 0 a 时的输出电流波形，可以看出电流没有出现断续的情况，实 验分析电路可以稳定工作在电感电流连续模式。 嚣游菇隋 爹了孺 图2 5 基值l o a 时输山电流波形 f i g 2 5t h ew a v e f o mo fc u r r e n lw h e nm i i l i m u mi slo a 北京t 业大学工学硕1 ：学位论文 2 2 4 输入滤波电容的选择 滤波电容最好选用等效电阻低且电容量大的电解电容，为了减少等效电阻， 可以采用多个电容并联获得所需的电容量。 本电源输出功率为8 7 k w ，输出的等效电阻r 为： 月：丝：坐二望o 6 5 q( 2 7 ) r n l a e 在三相整流电路中，滤波电路的时间常数必须为纹波中基波周期时间的6 倍 以上，即： c j 生一3 0 9 2 7 厂 ( 2 8 ) 3 0 0 尺 。 电容承受的峰值电压约为2 0 0 v 以上。在实际电路设计中，最终选取的是西 门子耐压4 0 0 v ，容值2 2 0 0 u f 的电解电容，采用四个并联的形式，大容值可以保 证线路电流更好的拉灌能力。 2 3 主电路模块结构设计 本设计主电路采用的是模块化的结构，模块化设计结构紧凑，有效减小设备 整体体积。该模块主要包括功率开关管、续流二极管、输入滤波电容、开关管驱 动吸收电路板，如图2 6 中虚线框中部分所示。在模块结构设计过程中主要考虑 两个方面的问题，一方面为m o s f e t 安全工作的考虑；另一方面为模块整体结 构优化的考虑。 r - 一一一一一；一一一一一一一一一： l f v l t 上c 早。7 t l 图2 6 电源模块部分 f i g 2 - 6t h ep a n0 fp o w e rm o d u l e 2 3 1m o s f e t 安全工作问题 在电源主电路设计当中，功率开关管是最为主要的器件，丌关管得安全工作 是整个电源系统正常工作的保障。在这一方面需要解决好开关管过流和过压两个 方面的问题。 1 ) 开关管过流问题 主电路设计中，功率m o s f e t 采用的是五个并联的形式，m o s f e t 的导通 电阻具有正温度系数，如图2 7 所示是i x f n l o o n 5 0 p 导通电阻随温度变化的曲 1 2 第二章电源土电路设计 线。正是基于m o s f e t 的这一特性，多个m o s f e t 直接并联时，在理论上器 件本身可以实现自动均流。 薹 鬈 弓 莒 銎 ， lv g s = 例l 。7 1 0 ；1 e o a 。 夕 l d = s 0a 夕 多 多多 7 s o- 2 so