車載雙管正激直流變換器的設計

摘要：研究了一種適用于電動汽車的高效率雙管正激直流變換器，在提出一種設計方案的基礎上，重點對其控制電路，反饋回路、啟動電路和變壓器的關鍵參數等進行了詳細分析設計。其中控制電路使用SG3525芯片，采用二型補償對控制電路進行補償。實驗測試結果表明該變換器輸出穩(wěn)定，有較高的轉換效率。
關鍵詞：雙管正激；直流變換器；二型補償；電動汽車

電動汽車作為一種新能源的交通工具，目前已經得到快速地發(fā)展。電動汽車的能量一般由6節(jié)蓄電池串聯組成的蓄電池組(電壓72 V)進行供應，但電動汽車中的一些輔助電子設備，如汽車大燈、剎車尾燈、喇叭和雨刮器等的工作電壓都是14 V，因此需要一只由72～14 V的直流變換器進行可靠的電壓變換。同時由于電動汽車內部的工作環(huán)境的限制，以及從節(jié)約能源角度考慮，該直流變換器必須有較高的轉換效率。根據一般電動汽車的實際工作需求，該設計的直流變換器采用了雙管正激的拓撲結構，輸出功率300 W，轉換效率大于85％。由于本設計中MOS管承受的電壓應力小，變壓器構造簡單，不需要磁復位繞組，不會出現橋臂直通的問題，因此設計簡單、可靠性高。

1 系統(tǒng)結構組成
車載雙管正激直流變換器的結構圖如圖1所示。

系統(tǒng)由4個部分組成：功率電路，隔離反饋電路，PI補償電路與PWM生成電路和驅動電路組成。隔離反饋電路主要由光耦P521與精密穩(wěn)壓管TL431組成，把輸出電壓隔離后反饋給控制芯片。PI補償電路與PWM生成電路由芯片SG3525來實現其功能。驅動電路用于把PWM信號分成兩路獨立的信號G1，G2，分別用于驅動MOS管VQ1，VQ2。這四個部分構成了一個閉環(huán)系統(tǒng)，根據輸出電壓調節(jié)占空比，最終使輸出電壓穩(wěn)定。
雙管正激直流變換器工作在電流連續(xù)模式下的兩個工作狀態(tài)可用如下的簡化電路來表示(為了便于分析，忽略MOS管的導通電壓、導通壓降以及寄生電容，把變換器簡化成兩個工作狀態(tài)：開關導通狀態(tài)與開關閉合狀態(tài))：
雙管正激變換器工作過程為：MOS管導通時，初級側電流流經上管VQ1，變壓器初級，下管VQ2后返回電池組負極。在這個過程中勵磁電流逐漸增大。次級側整流二極管VD3導通，續(xù)流二極管VD4截止，電池組通過變壓器給負載提供能量，并且給輸出屯容充電。MOS管截止時，初級側兩個MOS管截止，勵磁二極管VD1，VD2導通，勵磁電流逐漸下降為零，對變壓器進行磁復位。次級側整流二極管VD3截止，續(xù)流二極管VD4導通，存儲在電感中的電能為負載提供電流。見圖2、圖3。

2 相關電路的設計
2．1 控制電路與補償電路
雙管正激變換器控制電路選用了SG3525控制芯片，與其他控制芯片相比，SG3525去除了限流比較器，改由外部關斷信號輸入端來實現限流功能，同時還具有逐個脈沖關斷和直流輸出電流限幅功能，適合輸出低電壓大電流變換器。實際使用中，在引腳10上接電流檢測信號，來對輸出電流進行限制。SG3525還具有欠壓鎖定功能，當芯片供電小于8 V時，芯片無PWM信號輸出，變換器也無輸出電壓，從而實現保護功能。為保證雙管正激變換器中的高頻變壓器在一個周期內完成磁復位，根據變壓器勵磁電感的伏秒平衡原理可知變換器的占空比必須小于0．5。通過調節(jié)SG3525外圍的定時容CT，定時電阻RT，以及放電電阻RD來設定PWM的最大占空比以及死區(qū)時間?？刂齐娐肥褂肞WM控制芯片SG3 525，外圍電路簡單。電路中的鋸齒波頻率由RT，CT和RD決定，取CT=1．5 nF，RT=5．1 kΩ，RD=220 Ω。根據公式f=1／[CT(0.7RT+3RD)]計算出振蕩器輸出頻率約140 kHz，PWM信號頻率約為70 kHz。軟啟動功能引腳接一個4．7μF的電容。當電容充滿電，SG352的8腳為高電平時，SG3525才開始工作。穩(wěn)定的系統(tǒng)要求回路開環(huán)BODE圖在剪切頻率出幅值斜率為-20 dB／dec，至少有45°的相位裕量。雙管正激直流變換器采用二型補償電路(見圖4)，其傳遞函數為：

設計時將穿越頻率設定為1／4開關頻率；零點頻率設為1／4濾波器諧振頻率，增加中頻段相位裕量；極點頻率設為1／4濾波電容自身容阻頻率，增加高頻段的衰減。由