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diseño de convertidor dc dc de alta potencia con supresión de transitorios


Resumen: Este Este artículo presenta el esquema de diseño de un convertidor dc dc de alta potencia con supresión de transitorios. El Se analiza el principio de diseño y la tecnología clave, y se implementan la simulación y el experimento del diseño. por último, se dan las principales especificaciones técnicas y los resultados de las pruebas.

Palabras clave: alta potencia, supresión de transitorios, eficiencia, amplio rango de voltaje de entrada, simulación


1. Introducción

A medida que nuestro sistema de armas se desarrolla y el sistema de aviones aumenta su rendimiento, el requisito de componentes combinados es cada vez mayor. de acuerdo con la solicitud de GJB181 sistema de suministro de energía para aviones, los convertidores dc dc satisfacen la demanda de 80V / 50ms sobretensión de entrada supresión.

El artículo presenta un 50W convertidor dc dc con 16-40V entrada y 5V aislado salida. Además, estudiamos la tecnología clave del convertidor dc dc de alta potencia con supresión de transitorios a través del ángulo de diseño del circuito y comparamos el producto análisis simulado con rendimiento. El producto utiliza el simple-end topología avanzada para que tenga ventajas de alta precisión de voltaje de salida, regulación de bajo voltaje, regulación de baja carga, alta confiabilidad y funciones de prohibición de baile, bajo voltaje y cortocircuitos protección.

2 El diseño del convertidor dc dc de alta potencia con supresión de transitorios

El El convertidor dc dc debe satisfacer las demandas de 80V / 50ms Supresión de transitorios de tensión de entrada mediante GJB181. Durante aplicando el convertidor dc dc prácticamente, hay dos definiciones de supresión de sobretensiones: uno está deteniendo el convertidor dc dc dañado en la sobretensión. otro es hacer que el convertidor dc dc funcione normalmente en picos de tensión. Para cargue el sistema de la aeronave de manera estable y mantenga el trabajo posterior a la carga normalmente durante el 80V / 50ms sobretensión, el convertidor dc dc se crea para cumplir con el requisito de funcionamiento normal con 80V / 50ms sobretensión

2.1 El tecnología de 80V / 50ms convertidor dc dc de supresión transitoria

Hay dos ideas en el diseño del convertidor dc dc de supresión de transitorios: uno está utilizando la sujeción del voltaje de entrada para detener la influencia de la sobretensión del convertidor dc dc de cuál la desventaja es ineficaz. otro está haciendo que el convertidor dc dc de supresión transitoria resista una sobretensión alta el artículo aplicado.


hay tres problemas cuando estamos diseñando el convertidor dc dc con supresión de transitorios:

(1) El partes de filtro de entrada y alimentación auxiliar suministro: El 80V El voltaje de entrada actúa directamente sobre

el condensador del filtro de entrada y el triodo cargado auxiliar. Para aseguramos la fiabilidad de los módulos de alimentación, elegimos el dispositivo con la prueba de voltaje satisface la demanda de reducción de potencia. debido a la alta prueba de voltaje condensador de entrada con tamaño grande, necesitamos ajustar el diseño.

(2) El parte de cambiar el poder: Cuando el voltaje de entrada es 80V, el MOSFET la tensión aumenta al menos 40V y el rectificador de salida Schottky La tensión del diodo aumenta al menos 20 V. Eso nos empuja a elegir MOSFET y Schottky diodo con mayor a prueba de voltaje. Y también debemos tomar medidas para la alta pérdida de potencia de MOSFET y Schottky.

(3) El parte del transformador y retroalimentación control: Cuando el voltaje de entrada es 80V, la supresión transitoria dc dc convertidor la relación de trabajo es pequeña Eso hará que el circuito de bucle sea inestable. Y tenemos que aumentar la relación de trabajo con circuito de compensación de pendiente y estabilización del circuito con red de retroalimentación adecuada y circuito polo cero.

2.2 estudiando la eficiencia

Para hacer que el convertidor soporte 80V / 50ms sobretensión, elegimos muchos dispositivos de potencia con resistencia de alto voltaje cuyo ron es grande y tonelada es larga Porque el convertidor en 80V / 50ms la sobretensión llegará a un pico de voltaje en el dispositivo de alimentación, y eso disminuirá la eficiencia, por lo que para evitarlos, necesitamos mejorar el producto. hay tres aspectos de la pérdida interna en el suministro de energía de conmutación: pérdida de conmutación, pérdida de conducción y otras pérdidas.

El la pérdida de conmutación es la que se produce en el momento del dispositivo encendido-apagado, el interruptor tiene capacitancia parásita e inductancia parásita que detener el voltaje y la corriente cambiando abruptamente, luego el voltaje y la corriente alterna en el interruptor forman la conmutación pérdida.

Para disminuir la pérdida de conmutación, hay varias formas:

(1) acelerar la velocidad de activación o desactivación de la forma de onda de la unidad y disminuir la pérdida de conmutación. El figura 2 (a) muestra el tótem circuito de accionamiento compuesto por triodos, incluido NPN y PNP. Cuando se añade el circuito de accionamiento, la velocidad de la mos grid el borde ascendente y el borde negativo es más rápido. Nosotros puede verlos en la figura 2 (b). en ese momento, los MOSFET La pérdida de conmutación aparentemente está disminuyendo.


figura 2 (a) El circuito de impulsión


figura 2 (b) El mos grid’s forma de onda de agregar un circuito de impulsión


(2) añadiendo RC en el MOSFET y Schottky diodo para absorber la red y tratar el pico suavemente puede disminuir en parte la potencia del tubo conmutación pérdida y aumento circuito fiabilidad.

El pérdida de conducción es que cuando el dispositivo está funcionando, la unidad y la forma de onda son estables, la pérdida de conducción proviene de el encendido interruptor de encendido. El la pérdida de conducción puede ser I2dRdsRds (OH).

(1) Nosotros conectar dos mos de pequeño volumen en paralelo, disminuir MOSFET resistencia conductora y pérdida conductora.

(2) Nosotros conectar rectificador de dos salidas Schottky en paralelo, disminuir Schottky resistencia conductora y pérdida conductora.

Además, tomamos medidas a continuación para disminuir otras pérdidas en el circuito y aumentar la eficiencia:

(1) Nosotros ofrecemos chips de control de la tensión de alimentación mediante el devanado de retroalimentación (inductor muestra). después de que el circuito se inicia por completo, usamos el devanado de retroalimentación para reemplazar el triodo de suministro auxiliar para cargar los chips, de modo que la pérdida de potencia estática en el triodo de suministro auxiliar sea pequeña.

(2) Nosotros utilice la muestra del transformador de corriente en lugar de la muestra de resistencia El La estructura de la muestra del transformador de corriente se muestra en la figura 3. tanto la bobina secundaria como la bobina primaria están en el mismo núcleo de hierro cerrado cuyo La relación de corriente es igual a la relación de vueltas. El El transformador de corriente tiene circuitos complejos pero de bajo consumo energético y buena reducibilidad de señal. puede aislar el circuito de control circuito principal y aumentar eficazmente la eficiencia del circuito, así como garantizar la cada índice cumple con los requisitos. El El circuito de muestreo se muestra en la figura 4.


figura 3 El modelo del transformador de corriente

El La pérdida del transformador del instrumento de muestreo incluye la pérdida de cobre y la pérdida de hierro. El la pérdida de hierro puede ignorarse. El la pérdida de cobre es n es la relación entre las bobinas primarias y secundarias del transformador de corriente. Iin es entrada actual. Si utilizamos la resistencia de muestreo tradicional, la pérdida en la resistencia de muestreo es I2inRsense. Porque Rrms y Rsense son todos de rango de mΩ, podemos obtener que la pérdida en el transformador sea mucho menor que la pérdida en la resistencia de muestreo.


figura 4 El circuito de muestreo del transformador de corriente

(3) Nosotros elija devanado intercalado para disminuir transformadores pico de inductancia de fuga y efecto de piel de modo que la suma de la pérdida de cobre, la pérdida de hierro, el efecto de piel, el efecto de proximidad y corriente parásita la pérdida es mínima.

2,3 El diseño de amplio rango de entrada

(1) El habilidad de compensación de pendientes

Porque se solicita al convertidor que funcione de forma estable bajo 80V / 50ms sobretensión, cuando el voltaje de entrada es 16V, la supresión de transitorios dc dc convertidor la relación de trabajo es superior a 0,7. Para detener la segunda generación armónica que ocurre cuando circuito de relación de trabajo d es superior a 0,5, se añade el circuito de compensación de pendiente. El El principio del circuito de compensación de pendiente se muestra en la figura 5. Nosotros añadir un circuito de compensación con la pendiente de -m (m> 0) a la tensión inducida desde corriente inductiva a través del circuito de compensación de pendiente para obtener una forma de onda de corriente inductiva estable.

El convertidor utiliza la forma de compensación del seguidor emisor que se muestra en la figura 5. PWM La señal del oscilador se agrega al muestreo de corriente pico a través de un triodo y una resistencia, con triode's amplificación, para aumentar la compensación red resistencia equivalente para disminuir la influencia de red de compensación a la frecuencia de trabajo.


figura 5 El emisor seguidor circuito de compensación de pendiente

Mientras tanto, cuando el 80V / 50ms la sobretensión está pasando, para garantizar que el bucle estabilidad, un pequeño condensador se deriva entre 3 y 4 de PWM. Nosotros ajustar PWM's 3 formas de onda para evitar que la relación de trabajo baja altere la tensión de interferencia en comparación con fin

Para Asegúrese de que el transformador funcione de manera estable bajo 16-40V voltaje de entrada y 80V / 50ms, el convertidor relación de trabajo máxima Dmax = 0,75.

(2) El diseño del transformador

El convertidor utiliza el tanque magnético con topología directa, 50W potencia y el 22mm2 elegido magnético núcleo área efectiva de la sección transversal Ae. también elige un gran flujo magnético △ Bmax y baja perdida imanes. Porque el circuito la relación de trabajo máxima es mayor que 0.5, para garantizar un trabajo estable en el rango de entrada, la relación de trabajo máxima Dmax se considera la base del diseño. El transformadores El proceso de diseño de los principales parámetros se muestra en la figura 6:


figura 6 El transformadores proceso de diseño de los principales parámetros

en la figura 6: Ae es el núcleo magnético área de sección transversal efectiva; VIN (min) es la entrada mínima voltaje; △ Bmax es la densidad máxima de flujo magnético de trabajo; Dmax es la relación máxima de trabajo; t es el convertidor trabajo período.

(1) El número primario de vueltas y diámetro del alambre

Cuando la gama baja 16V está ingresando, el sistema la relación de trabajo es máx. según el Faraday fórmula de la ley de la inducción podemos obtener el número de vueltas del transformador primario bobinas:


(2) El número secundario de vueltas y diámetro del alambre


según el principio del convertidor directo, la tensión de entrada y salida es:

nosotros es Schottky's caída de tensión directa es 0.15V. Si la gama baja 16V está ingresando, la relación de trabajo es 0,75 y las bobinas primarias número de vueltas es 6, entonces podemos usar la fórmula: Ns = 3,22

considerando la eficiencia, la relación de giro final elegida es 6: 3

3 El análisis de simulación y el resultado de la validación del producto

Nosotros utilizar sable para hacer el análisis de simulación en el producto de 50W simple 5V / 10A. en las condiciones de diferente voltaje de entrada y corriente de carga, el convertidor funciona de manera estable, la relación de trabajo y el diseño teórico son similares, las formas de onda del MOSFET y Schottky son similares con el cálculo teórico. Eso significa que el análisis teórico está verificado.

3,1 El voltaje de salida del convertidor dc dc con supresión de transitorios

Cuando el 28V la carga completa está ingresando, la forma de onda del voltaje de salida se muestra en la figura 7, la forma de onda de simulación se ajusta a la onda real. El Las formas de onda de la corriente de entrada y la tensión de salida son estables y funcionan rápidamente.


figura (a) El forma de onda de simulación


figura (b) El forma de onda real

3,2 El formas de onda del MOSFET fuente de desagüe y Schottky

MOSFET fuente de desagüe tensión vds y tensión de red VGS se muestran en la figura 8 y 9. El secundaria Schottky las formas de onda se muestran en la figura 10 y 11.

Desde En la figura 8 a 11, podemos ver que el convertidor funciona de manera estable en todo el rango de entrada de voltaje. El gama baja la relación de trabajo es 0,75 y la alta gama la relación de trabajo es 0,29. Porque de la existencia de los productos reales la inductancia de fuga del transformador y los parámetros parásitos parciales en el bucle, existen varias diferencias entre la forma de onda de simulación y la onda real. pero el convertidor La posición de trabajo y la tensión de tensión se corresponden mutuamente, los dispositivos cumplen el requisito de reducción de potencia y la posición de trabajo es estable.


Figura (a) 16V carga completa


Figura (b) 28V carga completa

Figura (c) 40V carga completa

figura 8 El forma de onda de simulación de MOS vds y VGS

Figura (a) 16V carga completa

Figura (b) 28V carga completa

Figura (c) 40V carga completa

figura 9 El forma de onda real de MOS vds y VGS

Figura (a) 16V carga completa

Figura (b) 28V carga completa

Figura (c) 40V carga completa

figura 10La forma de onda de simulación de Schottky

Figura (a) 16V carga completa

Figura (b) 28V carga completa

Figura (c) 40V carga completa

figura 11 El forma de onda real de Schottky

3.3 El cambio del paso de carga

Cuando la tensión de entrada es el valor nominal, la carga de completo a la mitad y la mitad o el máximo provocará un cambio de voltaje de salida en consecuencia. Ellos se muestran en la figura 12. El cargar pasos la forma de onda de simulación y la onda real son similares y cumplen con el índice requisitos. El el tiempo de recuperación del paso de carga es la condición cuando la tensión de salida vuelve a 1 % estable valor. El cargar pasos la simulación y los resultados reales son similares y cumplen con los índices requisitos.

Figura (a) El forma de onda de simulación

Figura (b) El forma de onda real

figura 12 El forma de onda de paso de carga

3.4 El forma de onda de paso de entrada

Cuando la carga está completa, el voltaje de entrada es de el mínimo al máximo y desde del máximo al mínimo, la forma de onda del voltaje de salida se muestra en la figura 13. El el tiempo de recuperación del paso de salida es la condición cuando la tensión de salida vuelve a 1 % estable valor. El salida pasos la simulación y las formas de onda reales son similares y cumplen con los índices requisitos.

Figura (a) El forma de onda de simulación

Figura (b) El forma de onda real

figura 13 El forma de onda de paso de entrada

4. Conclusión

sobre la base del estudio del convertidor dc dc de alta potencia con supresión de transitorios, el artículo analiza su supresión de sobretensiones, mejoradores de eficiencia y amplio rango de entrada. Con la investigación teórica suficiente, el análisis simulado y la predicción confiable, los índices reales del producto llamado 5V / 10A la supresión transitoria única que diseñamos cumple con todos los requisitos. también verifica la viabilidad de la ruta técnica, la precisión del diseño teórico y la confiabilidad del análisis simulado.


Referencia:

[1] abraham I. Pressman, Keith Billings, Taylor Morey, Conmutación diseño de fuentes de alimentación, Beijing; editorial de la industria electrónica, 2010

[2] Zhang Zhan-song, Cai Xuan-san, El principio y diseño de la fuente de alimentación conmutada, editorial de la industria electrónica, 1998.

[3] Marty Marrón. El guía de diseño de la fuente de alimentación conmutada. Prensa industrial mecánica, 2004.

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