Estratto: Questo l'articolo introduce lo schema di progettazione di un convertitore dc dc ad alta potenza a soppressione transitoria. Il vengono analizzati il ​​principio di progettazione e la tecnologia chiave e la simulazione e l'esperimento di progettazione vengono implementati. infine, vengono fornite le principali specifiche tecniche e i risultati dei test

Parole chiave: alta potenza, soppressione dei transitori, efficienza, ampio intervallo di tensione di ingresso, simulazione

1. Introduzione

poiché il nostro sistema d'arma si sviluppa e il sistema aereo aumenta le sue prestazioni, il requisito di componenti abbinati è sempre più elevato secondo la richiesta di GJB181 sistema di alimentazione per aeromobili, i convertitori cc cc soddisfano la domanda di 80V / 50ms sovratensione in ingresso soppressione.

Il l'articolo introduce un 50W convertitore dc dc con 16-40V ingresso e 5V isolato output. Inoltre, studiamo la tecnologia chiave del convertitore CC ad alta potenza con soppressione dei transienti attraverso l'angolo di progettazione del circuito e confrontiamo il prodotto analisi simulata con prestazioni. Il il prodotto utilizza simple-end topologia diretta in modo che abbia vantaggi di alta precisione della tensione di uscita, regolazione a bassa tensione, regolazione a basso carico, alta affidabilità e funzioni di proibizione della danza, sottotensione e cortocircuiti protezione.

2 Il progettazione del convertitore cc cc ad alta potenza con soppressione dei transitori

Il Il convertitore dc dc deve soddisfare le richieste di 80V / 50ms soppressione dei transitori della tensione di ingresso tramite GJB181. Durante applicando praticamente il convertitore dc dc, ci sono due definizioni di soppressione dei picchi: uno sta fermando il convertitore dc dc danneggiato in sovratensione. un altro è fare in modo che il convertitore cc cc funzioni normalmente in sovratensione. A caricare stabilmente il sistema dell'aeromobile e mantenere il normale lavoro di post carico durante il 80V / 50ms sovratensione, il convertitore cc cc è creato per soddisfare i requisiti di funzionamento normale con 80V / 50ms sovratensione tensione.

2.1 Il tecnologia di 80V / 50ms soppressione dei transienti dc dc converter

ci sono due idee nella progettazione del convertitore di soppressione dei transitori dc dc : si utilizza il bloccaggio della tensione di ingresso per arrestare l'influenza della sovratensione dc dc converter di quale lo svantaggio è inefficace. un altro è fare in modo che il convertitore cc cc a soppressione transitoria resista a picchi di tensione che l'articolo applicato.

ci sono tre problemi quando stiamo progettando la soppressione dei transitori dc dc converter:

(1) Il parti del filtro di ingresso e alimentazione ausiliaria: Il 80V la tensione di ingresso agisce direttamente

il condensatore del filtro di ingresso e il triodo ausiliario caricato. A garantire l'affidabilità dei moduli di alimentazione, scegliamo il dispositivo con la prova di tensione che soddisfa la richiesta di declassamento. a causa della alta tensione condensatore di ingresso con grandi dimensioni, dobbiamo regolare il layout design.

(2) Il parte della modifica del power: Quando la tensione di ingresso è 80V, il MOSFET lo stress di tensione aumenta di almeno 40V e il raddrizzatore di uscita Schottky la tensione del diodo aumenta di almeno 20V. Quello ci spinge a scegliere MOSFET e Schottky diodo con superiore a prova di tensione. E dobbiamo anche prendere misure per l'elevata perdita di potenza di MOSFET e Schottky.

(3) Il parte del trasformatore e feedback control: Quando la tensione di ingresso è 80 V, la soppressione dei transitori dc dc converter's rapporto di servizio è piccolo. Quello renderà il circuito ad anello instabile. E dobbiamo aumentare il rapporto di dazio con circuito di compensazione pendenza e stabilizzare il circuito con adeguata rete di feedback e circuiti zero polo.

2.2 studiando l'efficienza

A fare in modo che il convertitore porti 80V / 50ms sovratensione, scegliamo molti dispositivi di alimentazione con resistenza ad alta tensione di cui ron è grande e ton è lungo. Perché il convertitore in 80V / 50ms il picco di tensione raggiungerà il picco di tensione sul dispositivo di alimentazione e ciò farà diminuire il prodotto efficienza, quindi per evitarli, dobbiamo migliorare il prodotto. ci sono tre aspetti della perdita interna nell'alimentazione elettrica di commutazione: perdita di commutazione, perdita di conduzione e altre perdite

Il la perdita di commutazione è quella al momento del dispositivo on-off, l'interruttore ha capacità parassita e induttanza parassita che interrompere la brusca variazione di tensione e corrente, quindi la tensione e la corrente alternate sull'interruttore formano la perdita di commutazione.

A diminuire la perdita di commutazione, ci sono diversi modi:

(1) accelerando la velocità di accensione o spegnimento della forma d'onda del convertitore e diminuire la perdita di commutazione Il figura 2 (a) mostra il totem-pole circuito di pilotaggio composto dai triodi compreso NPN e PNP. Quando viene aggiunto il circuito di pilotaggio, la velocità della mos grid's fronte di salita e fronte di caduta è più veloce. Noi può vederli nella figura 2 (b). a quel tempo, i MOSFET la perdita di commutazione apparentemente diminuisce.

figura 2 (a) Il circuito di azionamento

figura 2 (b) Il mos grid’s forma d'onda dell'aggiunta del circuito di azionamento avanti e indietro

(2) aggiungendo RC sul MOSFET e Schottky diodo per assorbire la rete e trattare con il picco leggermente può diminuire in parte la potenza tubo perdita di commutazione e aumento circuit's affidabilità.

Il condurre la perdita è che quando il dispositivo funziona, il drive e la forma d'onda sono stabili, la perdita di conduzione proviene da l ' accensione accensione interruttore. Il la perdita di conduzione può essere I2dRdsRds (OH).

(1) Noi collegare due mos di piccolo volume in parallelo, diminuire MOSFET conducendo resistenza e conducendo perdita.

(2) Noi collegare due raddrizzatori di uscita Schottky in parallelo, diminuire Schottky conducendo resistenza e conducendo perdita.

Inoltre, prendiamo le misure seguenti per diminuire altre perdite nel circuito e aumentare efficienza:

(1) Noi offrono chip di controllo della tensione di alimentazione utilizzando l'avvolgimento di retroazione (induttore campione). dopo che il circuito è completamente avviato, usiamo l'avvolgimento di retroazione per sostituire il triodo di alimentazione ausiliaria per caricare i chip in modo che la perdita di potenza statica sul triodo di alimentazione ausiliaria sia piccola.

(2) Noi utilizzare il campione del trasformatore di corrente invece del resistore campione. Il la struttura del campione del trasformatore di corrente è mostrata nella figura 3. sia la bobina secondaria che la bobina primaria sono sullo stesso nucleo di ferro chiuso di cui il rapporto corrente è uguale a rapporto spire. Il il trasformatore di corrente ha circuiti complessi ma basso consumo energetico e buona riducibilità del segnale può isolare il circuito di controllo da circuito principale e aumentare efficacemente l'efficienza del circuito oltre a garantire il circuito ogni indice soddisfa i requisiti. Il il circuito di campionamento è mostrato nella figura 4.

figura 3 Il modello del trasformatore di corrente

Il la perdita del trasformatore dello strumento di campionamento include la perdita di rame e la perdita di ferro Il la perdita di ferro può essere ignorata. Il la perdita di rame è n è il rapporto tra le bobine primarie e secondarie del trasformatore di corrente. Iin è input corrente. Se usiamo il resistore di campionamento tradizionale, la perdita sul resistore di campionamento è I2inRsense. Perché Rrms e Rsense sono tutti rango di mΩ, possiamo ottenere che la perdita sul trasformatore è molto minore di la perdita sul resistore.

figura 4 Il circuito di campionamento del trasformatore di corrente

(3) Noi scegli un avvolgimento a sandwich per diminuire trasformatore picco di induttanza di dispersione ed effetto pelle in modo che la somma di perdita di rame, perdita di ferro, effetto pelle, effetto di prossimità e correnti parassite la perdita è la più piccola.

2.3 Il progettazione di un'ampia gamma di input

(1) Il abilità di compensazione della pendenza

Perché il convertitore deve funzionare stabilmente sotto 80V / 50ms sovratensione, quando la tensione di ingresso è 16 V, la soppressione dei transienti dc dc converter's il rapporto di dazio è superiore a 0,7. A fermare la seconda generazione di armoniche quando circuit's il rapporto di lavoro d è superiore a 0,5, viene aggiunto il circuito di compensazione della pendenza Il Il principio del circuito di compensazione della pendenza è mostrato nella figura 5. Noi aggiungere un circuito di compensazione con la pendenza di -m (m> 0) alla tensione indotta da corrente induttiva attraverso il circuito di compensazione della pendenza per ottenere una corrente induttiva stabile forma d'onda.

Il convertitore utilizza il modo di compensazione del follower emettitore che è mostrato nella figura 5. PWM il segnale dell'oscillatore viene aggiunto al campionamento della corrente di picco tramite triodo e resistore, con triode's amplificazione, per aumentare la rete di resistenza equivalente per diminuire l'influenza da rete di compensazione per lavorare frequenza.

figura 5 Il emitter follower's circuito di compensazione pendenza

Nel frattempo, quando il 80V / 50ms la sovratensione sta passando, per garantire il loop stabilità, un piccolo condensatore viene deviato tra 3 e 4 di PWM. Noi regolare PWM 3 forma d'onda per evitare che il basso rapporto di lavoro disturbi la tensione di interferenza rispetto end.

A assicurarsi che il trasformatore funzioni stabilmente sotto 16-40V tensione di ingresso e 80 V / 50 ms, il convertitore rapporto di lavoro max Dmax = 0,75.

(2) Il progettazione del trasformatore

Il convertitore utilizza il serbatoio magnetico con topologia anteriore, 50W potenza e 22mm2 scelto nucleo magnetico area della sezione trasversale effettiva Ae. sceglie anche un grande flusso magnetico △ Bmax e magneti a bassa perdita. Perché il circuit's il rapporto di lavoro massimo è maggiore di 0,5, per garantire un funzionamento stabile nel campo di ingresso, il rapporto di lavoro massimo Dmax è considerata la base di progettazione. Il trasformatore il processo di progettazione dei parametri principali è mostrato nella figura 6:

figura 6 Il trasformatore processo di progettazione dei principali parametri

nella figura 6: Ae è il nucleo magnetico sezione trasversale effettiva area; VIN (min) è la tensione minima di ingresso △ Bmax è il flusso magnetico massimo di lavoro densità; Dmax è il duty ratio massimo; t è il converter's lavoro periodo.

(1) Il numero primario di spire e diametro del filo

Quando la fascia bassa 16V sta inserendo, il sistema rapporto di servizio è max. secondo il Faraday legge della formula di induzione possiamo ottenere il numero di giri del trasformatore primario bobine:

(2) Il numero secondario di giri e diametro del filo

secondo il principio del convertitore diretto, la tensione di ingresso e di uscita è:

noi è Schottky's caduta di tensione diretta quale è 0,15V. Se la fascia bassa 16V sta inserendo, il rapporto di dazio è 0,75 e le bobine " primarie numero di giri è 6, quindi possiamo usare la formula : Ns = 3,22

considerando l'efficienza, il rapporto di virata finale scelto è 6: 3.

3 Il analisi di simulazione e risultato della validazione del prodotto

Noi utilizzare sabre per eseguire l'analisi di simulazione sul prodotto di 50W singolo 5V / 10A. a seconda delle condizioni di diversa tensione di ingresso e corrente di carico, il convertitore funziona stabilmente, il rapporto di lavoro e il progetto teorico sono simili, le forme d'onda del MOSFET e Schottky sono simili con il calcolo. teorico Quello significa che l'analisi teorica è verificata.

3.1 Il tensione di uscita del convertitore cc cc a soppressione transitoria

Quando il 28V è in ingresso il pieno carico, la forma d'onda della tensione di uscita è mostrata nella figura 7, la forma d'onda di simulazione è conforme all'onda reale. Il le forme d'onda della corrente di ingresso e della tensione di uscita sono stabili e funzionano rapidamente.

figura (a) Il forma d'onda di simulazione

figura (b) Il forma d'onda reale

3.2 Il forme d'onda del MOSFET drain-source e Schottky

MOSFET drain-source tensione vds e tensione di rete VGS sono mostrati nella figura 8 e 9. Il secondario Schottky le forme d'onda sono mostrate nella figura 10 e 11.

Da dalle figure da 8 a 11, possiamo vedere che il convertitore funziona stabilmente nell'intero intervallo di tensione di ingresso . Il fascia bassa rapporto di dazio è 0,75 e il high-end rapporto di dazio è 0,29. Perché dell'esistenza del prodotto reale l'induttanza di dispersione del trasformatore e dei parametri parassiti della parte nel loop, ci sono molte differenze tra la forma d'onda di simulazione e l'onda reale. ma il converter's la posizione di lavoro e lo stress di tensione sono reciprocamente corrispondenti, i dispositivi soddisfano i requisiti di declassamento e la posizione di lavoro è stabile.

Figura (a) 16V Pieno carico

Figura (b) 28V Pieno carico

Figura (c) 40V Pieno carico

figura 8 Il forma d'onda di simulazione di MOS vds e VGS

Figura (a) 16V Pieno carico

Figura (b) 28V Pieno carico

Figura (c) 40V Pieno carico

figura 9 Il forma d'onda reale di MOS vds e VGS

Figura (a) 16V Pieno carico

Figura (b) 28V Pieno carico

Figura (c) 40V Pieno carico

figura 10Il forma d'onda di simulazione di Schottky

Figura (a) 16V Pieno carico

Figura (b) 28V Pieno carico

Figura (c) 40V Pieno carico

figura 11 Il forma d'onda reale di Schottky

3.3 Il cambio della fase di carico

Quando la tensione di ingresso è il valore nominale, il carico da pieno a metà e da da metà a pieno causerà un cambiamento della tensione di uscita di conseguenza Loro sono mostrati nella figura 12. Il carica passi la forma d'onda di simulazione e l'onda reale sono simili e soddisfano i index requisiti. Il il tempo di ripristino della fase di caricamento è la condizione quando la tensione di uscita torna a 1 % stabile valore. Il carica passi la simulazione e i risultati reali sono simili e soddisfano i index requisiti.

Figura (a) Il forma d'onda di simulazione

Figura (b) Il forma d'onda reale

figura 12 Il forma d'onda del passo di carico

3.4 Il forma d'onda del passo di ingresso

Quando il carico è pieno, la tensione di ingresso è da dal minimo al massimo e da dal massimo al minimo, la forma d'onda della tensione di uscita è mostrata nella figura 13. Il il tempo di recupero della fase di uscita è la condizione quando la tensione di uscita torna a 1 % stabile valore. Il output step’s la simulazione e le forme d'onda reali sono simili e soddisfano i index requisiti.

Figura (a) Il forma d'onda di simulazione

Figura (b) Il forma d'onda reale

figura 13 Il forma d'onda del passo di ingresso

4. Conclusione

sulla base dello studio del convertitore cc cc ad alta potenza con soppressione dei transitori, l'articolo ne analizza la soppressione dei picchi, i potenziatori di efficienza e l'ampio intervallo di ingresso. Con la ricerca teorica sufficiente, l'analisi simulata e la previsione affidabile, gli indici effettivi del prodotto chiamato 5V / 10A la soppressione dei transienti singola che abbiamo progettato soddisfa tutti i requisiti verifica inoltre la fattibilità del percorso tecnico, l'accuratezza del progetto teorico e l'affidabilità dell'analisi simulata.

Riferimento:

[1] Abramo I. Pressman ， Keith Billings ， Taylor Morey ， Switching alimentazione Design, Pechino; casa editrice dell'industria elettronica, 2010.

[2] Zhang Zhan-song, Cai Xuan-san, Il principio e progettazione dell'alimentatore switching, casa editrice dell'industria elettronica, 1998.

[3] Marty Marrone. Il guida alla progettazione della potenza di commutazione Alimentazione. pressa industria meccanica, 2004.