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          WEDM脈沖電源恒流輸出雙管正激交錯(cuò)DC/DC變換器設(shè)計(jì)

          作者: 時(shí)間:2008-11-25 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          WEDM用脈沖電源的作用是把工頻交流電流轉(zhuǎn)換成一定頻率的單向脈沖電流,供給電極放電間隙所需要的能量以蝕除金屬。本文提出的電流型電火花線切割加工電源前級(jí)電路恒流輸出DC/DC變換器,其電路拓?fù)洳捎秒p管正激交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu),故稱為恒流輸出雙管正激交錯(cuò)并聯(lián)DC/DC變換器。其電壓應(yīng)力等于電源輸入電壓,通過兩個(gè)二極管來構(gòu)成勵(lì)磁電流回路,使能量回饋至電源。

          設(shè)計(jì)方案
          主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。M1、M2、D1、D2構(gòu)成一路雙管正激電路,M3、M4、D3、D4構(gòu)成另一路雙管正激電路,D5、D6分別為兩路雙管正激電路的整流二極管,D7為續(xù)流二極管,L為輸出濾波電感,C1、C2分別為輸入、輸出濾波電容。


          DC/DC變換器設(shè)計(jì)的最中心工作就是設(shè)計(jì)高頻變壓器。下面僅介紹高頻脈沖變壓器、輸出濾波電感的設(shè)計(jì),最后介紹計(jì)算輸入電路、控制部分。

          圖1 恒流輸出雙管正激交錯(cuò)并聯(lián)DC/DC變換器


          1 高頻脈沖變壓器的設(shè)計(jì)
          ①脈沖變壓器原副邊匝比N的確定
          為了滿足在輸入電壓變化范圍內(nèi)都能夠得到所要求的輸出電流,高頻變壓器的變比應(yīng)按輸入電壓最低,輸出功率最大情況來選擇。此種情況下,變換器工作在最大占空比狀態(tài),且電源工作在放電周期里。
          設(shè)單路前級(jí)變換器的開關(guān)頻率為fs,開關(guān)周期T=1/fs,取最大占空比DMAX=0.45,則單路開關(guān)管最大導(dǎo)通時(shí)間為Tonmax=DmaxT。
          ②確定繞組線徑
          60A/25V樣機(jī),流過副邊的電流有效值為:
          (1)
          忽略電感電流脈動(dòng),變壓器副邊電流峰值為:Ismax=IL=60A。原邊電流幅值為:Ipmax=Ismax+Iμ。
          其中,Ismax為副邊電流峰值折算到原邊所得的電流值。Iμ為磁化電流,取Iμ=5%Ismax,則:

          (2)
          原邊導(dǎo)線用銅芯標(biāo)稱直徑0.6mm(面積為0.283mm2)的漆包線,7股并繞,則原邊實(shí)際導(dǎo)線總面積為:
          Sμ1=70.283=1.981mm2
          副邊用厚0.4mm、寬30mm的紫銅帶繞制。副邊實(shí)際導(dǎo)線總面積為:
          Sμ2=0.430=12mm2
          ③ 校核窗口面積

          (3)
          能夠繞下,設(shè)計(jì)合理。
          2 輸出濾波電感的設(shè)計(jì)
          ① 輸出濾波電感值的確定
          取輸出濾波電感的最大電流脈動(dòng)量為2%,并設(shè)電感電流連續(xù),則△iLon=△iLoff=2%ILav,ILav為電感電流平均值。
          實(shí)際設(shè)計(jì)中,取L=25μF。
          ②繞組線徑為0.467mm
          ③ 校核窗口:

          Kμ=NSμ/Q=(121510-6)/(4.85710-4)=0.371,能繞下。
          3 輸入電路設(shè)計(jì)
          ① 輸入濾波電容設(shè)計(jì)
          輸入濾波電容計(jì)算公式為C=It/△V。
          其中,I為輸入電流,單位為A;t為電容提供電流的時(shí)間,單位為S;△V為所允許的峰-峰值紋波電壓,單位為V。對(duì)于60A/25V樣機(jī),有:
          (4)
          取C=1680μF,用三個(gè)560μ/400V的電解電容并聯(lián)。為了濾除高頻紋波,需再并聯(lián)一個(gè)小容量的高頻無感電容。
          ② 功率晶體管的選取
          最大漏源電壓:UDSmax=Uinmax =353.5V。
          峰值電流:IDSmax=Ipmax=9.69A
          以上計(jì)算是理想結(jié)果,實(shí)際的電路中由于高頻變壓器存在漏感,回路中還有引線電感,在開關(guān)管關(guān)斷瞬間會(huì)引起較大的電壓尖峰。因此,選用開關(guān)管反向耐壓應(yīng)留有足夠的裕度。本設(shè)計(jì)選用IR公司的功率MOSFET IR460。
          ③ 浪涌電流抑制設(shè)計(jì)
          浪涌電流主要是由濾波電容充電引起的。在開關(guān)管開始導(dǎo)通的瞬間,電容對(duì)交流電呈現(xiàn)出很低的阻抗。一般情況下,只是電容的ESR值,而電容性能穩(wěn)定情況下,該ESR值是很小的,從而導(dǎo)致浪涌電流可接近幾百安培。所以設(shè)計(jì)時(shí)必須在電源的輸入端采取一些限流措施,將浪涌電流減小到允許的范圍之內(nèi)。本設(shè)計(jì)采用熱敏電阻技術(shù)限制浪涌電流。選取合適的熱敏電阻,可以保證在負(fù)載電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),熱敏電阻的阻值最小。
          ④ 輸入瞬間電壓保護(hù)設(shè)計(jì)
          一般情況下,交流電網(wǎng)上的電壓為115V或230V左右,但有時(shí)也會(huì)有高壓的尖峰出現(xiàn)。如電網(wǎng)附近有電感性開關(guān),暴風(fēng)雨天氣時(shí)的雷電現(xiàn)象,都是產(chǎn)生高壓尖峰的因素。雖然電壓尖峰持續(xù)的時(shí)間很短,但是它卻有足夠的能量給開關(guān)電源的輸入濾波器、開關(guān)晶體管等造成致命的損壞。
          最通用的抑制干擾高壓器件是金屬氧化物壓敏電阻 (MOV)瞬態(tài)電壓抑制器。將壓敏電阻并聯(lián)在輸入交流電壓兩端。當(dāng)高壓尖峰瞬間出現(xiàn)在壓敏電阻兩端時(shí),它的阻抗急劇減小到一個(gè)值,高壓從其上經(jīng)過,從而消除尖峰電壓使輸入電壓達(dá)到安全值。
          4 控制電路的設(shè)計(jì)
          變換器的控制電路是變換器的重要組成部分,直接影響到變換器的技術(shù)性能。一般講,控制電路包括調(diào)壓控制和保護(hù)兩部分??刂齐娐繁仨毧紤]到如下一些基本要求及功能:變換器是一閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng),所以與一般調(diào)節(jié)系統(tǒng)一樣,要求控制電路應(yīng)具有足夠的回路增益,能在允許的輸入電網(wǎng)電壓、負(fù)載及溫度變化范圍內(nèi),輸出電壓穩(wěn)定度達(dá)到規(guī)定的精度要求,即靜態(tài)精度指標(biāo)。同時(shí),還必須滿足動(dòng)態(tài)品質(zhì)要求,如穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。因此,需要加適當(dāng)?shù)男UW(wǎng)絡(luò)或采用多反饋技術(shù)。要滿足獲得額定的輸出電壓及調(diào)節(jié)范圍的要求。此外,還應(yīng)具有軟啟動(dòng)功能及過壓、過流等保護(hù)功能。必要時(shí)還要求實(shí)現(xiàn)控制電路輸出與反饋輸入之間的隔離。
          為保持變換器的輸出電壓穩(wěn)定,通常采用占空比控制技術(shù)。改變占空比的調(diào)節(jié)方式有脈寬調(diào)制(PWM)和脈頻調(diào)制(PFM)兩種方式。脈寬調(diào)制是在工作頻率不變(即工作周期不變)情況下,通過改變晶體管或場效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)間或截止時(shí)間來改變占空比,應(yīng)用較普遍。脈頻調(diào)制是采用恒定導(dǎo)通時(shí)間、可變截止時(shí)間或恒定截止時(shí)間、可變導(dǎo)通時(shí)間來實(shí)現(xiàn)占空比的改變。
          過去,控制電路中各單元電路多采用分立元件及單片集成塊。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,近年來已研制出各種集成脈寬調(diào)制控制器,這些集成塊包含了控制電路的全部功能,只需加少量元件就能滿足要求。這不僅簡化了設(shè)計(jì)計(jì)算,且大幅度地減少了元器件數(shù)量和連接焊點(diǎn),使變換器的可靠性大大提高。

          主功率管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
          功率MOSFET是一種電壓控制器件,沒有少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng),輸入阻抗高,因而開關(guān)速度可以很高,驅(qū)動(dòng)功率小。但為了得到最佳控制性能,需要精心設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路。根據(jù)要求,我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖2所示的驅(qū)動(dòng)電路,該驅(qū)動(dòng)電路采用兩對(duì)圖騰柱式推拉驅(qū)動(dòng)。

          圖2 主功率管的驅(qū)動(dòng)電路

          結(jié)語
          本文提出了一種WEDM用雙管正激交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)的DC/DC變換器設(shè)計(jì)方案,其采用并聯(lián)結(jié)構(gòu),功率管工作在同樣頻率下,但輸出電壓頻率提高了一倍。兩路并聯(lián)使得輸出電壓占空比也增加了一倍,其整流側(cè)輸出電壓占空比可以在0~1之間變化,提高了電路響應(yīng)速度;在同樣輸出電流的情況下,整流、續(xù)流二極管平均電流減小,有利于選取反向恢復(fù)時(shí)間更短的快恢復(fù)二極管。



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