【《基于耦合电感的开关电容Zeta变换器系统硬件设计及实验分析》2900字】

基于耦合电感的开关电容Zeta变换器系统硬件设计及实验分析目录TOC\o"1-3"\h\u5761基于耦合电感的开关电容Zeta变换器系统硬件设计及实验分析 1135631.1样机设计指标 1136631.2主电路参数设计 240751.2.1耦合电感设计 2244571）匝比N的选择 2152571.2.2输出电感设计 4196161.2.3电容设计 5225521.2.4开关器件选型 5121501.3驱动及采样电路设计 6234871.3.1驱动电路 683601.3.2采样电路 745581.4实验结果分析 71.1样机设计指标本章以CISC-Zeta变换器作为对象进行样机参数设计，合适的参数值是变换器正常工作的前提。样机整体结构如图1.1所示，主电路为CISC-Zeta变换器，由隔离采样电路、TMS320F28335主控电路以及隔离驱动电路组成控制电路。变换器的样机设计指标如表1.1所示。表1.1CISC-Zeta变换器样机设计指标Table

5

.

1

Design

index

of

CISC-Zeta

converter

prototype设计指标参数输入电压Vin/V16~24输出电压Vo/V200输出功率Po/W150开关频率fs/kHz50变换器效率ηη≥90%图1.1样机结构图Figure

1.1

Prototype

structure

diagram1.2主电路参数设计1.2.1耦合电感设计1）匝比N的选择应考虑在励磁电感峰值电流达到最大时进行匝比设计，即输入电压最小、占空比最大时，故将最低输入电压、最大占空比代入，从第三章中的一些理论分析可以得： （1.1）因漏感导致占空比丢失，因此匝比应稍大一些，故选择N=2，最大占空比Dmax=0.655。2)磁芯选型及设计对于任何设备，材质的选择都是至关重要的，无论是材质的任何方面，都会对应用产生关键的影响。由上述设计的参数，对耦合电感磁芯结构进行设计，本文采用PC40作为磁芯材料，PC40是TDK开发的铁氧体功率材料，应用较广泛。查询PC型磁芯手册后，选取磁芯型号为PC40EE42/21/15，其具体参数如下：磁芯有效截面积：磁芯窗口面积：磁芯面积：有效磁路长度：3)原边励磁电感设计当变换器处于额定输出功率时，励磁电感Lm的平均电流为： （1.2）在电流纹波率为0.4时，即，励磁电感Lm的峰值电流为：（1.3）励磁电感Lm为： （1.4）变换器在实际工作条件下，取。4）原副边匝数设计查询磁芯手册可知，饱和磁通密度在常温下为0.51T，在100℃下为0.39T，考虑到极限情况，取0.39T，则耦合电感原边绕组的匝数为： （1.5）取原边绕组匝数为，那么副边绕组匝数为。5）磁隙的计算气隙可增加磁芯储存能量能力，如果没有气隙，那么磁芯极易呈现饱和状态，故需要在磁芯中适当的加入气隙，气隙长度的计算公式为： （1.6）6）线径和股数考虑到高频趋肤效应，线径根据趋肤深度来选取，绕线直径为趋肤深度的两倍，则绕线直径为：（1.7）根据原副边电流峰值大小，原副边均选取裸线线径为0.7mm的漆包线，取电流密度为J=5A/mm2，则原副边需要的导线股数为：（1.8）（1.9）取原副边导线股数分别为7根、4根。校核窗口面积磁芯窗口利用系数为：（1.10）ACU为漆包线横截面积，由上式可知，窗口利用系数小于0.5，磁芯选择合理。绕制方式为减小漏感并改善EMI，耦合电感原副边应紧耦合，故选用分层绕制，从最内层到最外层分别为N2/2、N1、N2/2，即次级夹初级绕法。1.2.2输出电感设计由于变换器工作在CCM模式下，故，根据式（3.62）有： （1.11）联立式（3.55）、（3.60），再把励磁电感数值代入，可得输出电感L1的临界值为: （1.12）输出电感L1的等效平均电流为： （1.13）选取输出电感纹波电流纹波率为0.4，及，则输出电感L1为： （1.14）因电感L1位于输出端，为保证输出稳定，所以选取的实际电感值应比计算值稍大一些，取L1=80μH。1.2.3电容设计电容的选择主要由电压应力与电压纹波这两方面决定。由第三章电容应力分析可得： （1.15） （1.16） （1.17）电容电压纹波为： （1.18）根据实际情况来说，电容电压纹波应保证在较小的范围内，过大的纹波会导致整体结构功能变差，在此取电容C1~C4电压纹波为1%，输出电容Co的电压纹波为0.5%，则电容值为： （1.19） （1.20） （1.21） （1.22）则选择电容C1、C3、C4的值为，C2为，输出电容Co的值为。1.2.4开关器件选型1）开关管的选型CISC-Zeta变换器输入端的电压低电流高，因此可以选用低导通电阻和低导通压降的MOSFET。由式（3.28）可知，开关管最大电压应力为： （1.23）由式（3.37）可知，流过开关管的峰值电流为： （1.24）在变换器实际应用过程中，由于分布电感和漏感会引起电压尖峰，故为保证开关管不被尖峰电压击穿，取其二倍裕量采用耐压值高于97V的NMOS管。从上式可得，流过开关管S最大电流约为24A。综合各方面因素，选择IR公司的IRF540N型号的MOS管作为开关管，其主要性能参数为：开关管漏源极最大耐压值，最大电流，导通电阻。2）二极管的选型由式（3.30）、（3.32）、（3.34）可知，二极管D1、D4的电压应力以及峰值电流为： （1.25） （1.26）流过二极管D1、D4平均电流为，选择MBR20100CT作为二极管D1、D4，其性能参数为：最大耐压值，平均导通电流，峰值电流，正向导通压降。由式（3.31）、（3.35）、（3.36）可知，二极管D2、D3的电压应力为： （1.27） （1.28） （1.29）流过二极管D2、D3平均电流等于输出电流Io，选择MBR20200CT作为二极管D2、D3，其性能参数为：最大耐压值，平均导通电流，峰值电流，正向导通压降。1.3驱动及采样电路设计1.3.1驱动电路CISC-Zeta变换器中只有一个主开关管，而且足够大的驱动功率、合理的脉冲上升沿和下降沿、合适的正向驱动电压和反偏电压是MOS型器件产生理想驱动波形的必要条件。通过主控芯片编程输出的PWM控制信号，其电压幅值仅为3.3V，达不到MOSFET的驱动开启电压，故不能直接用来驱动MOSFET。本文将UCC5320SCD单通道隔离式栅极驱动器作为驱动芯片，图1.2为驱动电路原理图。图1.2驱动电路原理图Figure

1.2

Schematic

diagram

of

drive

circuit1.3.2采样电路由于CISC-Zeta变换器额定输出电压为200V，但TMS320F28335芯片A/D转换器的模拟电压输入不能高于3.3V，所以需合理采样调理输出电压，使电压保证在0~3.3V范围内。本文对输出电压隔离采样的器件选用LV-25P霍尔电压传感器，图1.3为电压采样原理图。LV-25P霍尔电压传感器利用磁补偿原理，其原副边额定输入、输出电流分别为10mA、25mA，匝数比为2500:1000，由于样机输出电压分压比为1/100，即输出电压VH=2V，根据输出电压表达式： （1.30）选取，。图1.3电压采样原理图Figure

1.3

Voltage

sampling

Schemple1.4实验结果分析为了深层次的验证理论研究的准确性，研制了一台CISC-Zeta变换器实验样机，变化器的实验参数如表1.2所示。表1.2实验参数统计信息Table

1.2

Statistics

of

experimental

parameters实验变量参数实验变量参数输入电压Vin/V20输出电压VO/V200开关频率fs/kHz50电容C1、C3、C4100μF/100V输出功率PO/W150倍压电容C2100μF/160V漏感Lk/μH1.5输出电容Co100μF/250V输入电感L1/μH80开关管SIRF540N励磁电感Lm/μH58二极管D1、D4MBR20100CT耦合电感匝比N=2二极管D2、D3MBR20200CTt/(10μs/格)t/(10μs/格)in2/(5A/格)iLk/(5At/(10μs/格)t/(10μs/格)in2/(5A/格)iLk/(5A/格)VO/(50V/格）Vin/(50V/格）图1.4输入电压与输出电压波形图1.5耦合电感漏感与副边的电流波形Figure

1.4

waveform

of

input

voltage

and

output

voltageFigure

1.5

Current

wave

form

of

coupled

VD2VD2/(100V/格）VD3/(100V/格）VD1/(50VVD3/(100V/格）VD1/(50V/格）t/(10μs/格)t/(10μs/格)VS/(50V/格）iD1/(5A/格)（a）VS、VD1波形iD1/(5A/格)iD3/(5A/格)iD2/(iD3/(5A/格)iD2/(5A/格)t/(10μs/格)t/(10μs/格)VD4/(50V/格)iL1/(5A/格）（c）VD4、iD1iL1/(5A/格）t/(10μs/格)it/(10μs/格)iD4/(5A/格)（e）iD4、i图1.6功率器件电压、电流的波形图Figure

1.6

Waveform

diagram

of

voltage

and

current

of

power

device图1.4为CISC-Zeta变换器输入输出电压波形，论证了该变换器由输入电压20V变换到输出电压200V的高电压增益。图1.5为耦合电感漏感与副边的电流波形图，从波形可知变换器工作在CCM模式，并且单位周期内包含5个阶段，与理论所分析的相同。图1.6为开关管S、二极管~的电压以及相对应的电流波形图，由图可知，开关管S电压大概是52V，远低于输出电压；二极管~电压值也均小于输出电压；波形与仿真验证相符合。另一方面，当开关管导通时，二极管D3实现了零电流导通；在开关管关断时，二极管、实现了零电流关断，同时二极管D2导通并实现零电流导通，以此论证各项理论分析结论具可行性。图1.7给出了负载突变时系统输出电压、电流动态波形图，如图所示，在负载突变的过程中，输出电压能够在很短暂时间内恢复到200V，验证了所设计的闭环系统