1kW-非隔离降压型变换器设计

输入电压：200‐240VDC输出电压：40VDC额定功率：1kW输出电压纹波：1%开关频率：50kHz保护功能：输出过压，输出欠压，输出短路，输入过压,输入欠压使用拓扑：Buck变换拓扑。RoCfVSTDC1Lf+Uo-续流二极管滤波器输入滤波电容VS=220±20VVO=40VP=1000W负载电流Iomax=25AIomin=10%Iomax=2.5A占空比：Dmax=0.2Dmin=0.167最小负载：Romin=16ΩRoCfVSTDC1Lf+Uo-临界负载电流：𝐼𝑂𝐵=𝑉𝑂2𝐿𝑓𝑠(1−𝐷)为保证电感电流连续，须𝐼𝑂𝑚𝑖𝑛≥IOB滤波电感：𝐿≥𝑉𝑂2𝑓𝑠𝐼𝑂𝑚𝑖𝑛·1−𝐷=0.133mH→1mH输出电压纹波＜1%𝛻𝑉𝑂𝑉𝑂1%201sTcLffUidtC8LffsICf=𝑉𝑂(1−𝐷)8𝐿𝐶𝑇𝑆2𝐶𝑓=𝑉𝑂8𝐿∆𝑉𝑂1−𝐷𝑚𝑖𝑛𝑇𝑆2=4.165𝜇𝐹→10𝝁F输入滤波电容：220𝝁FRoCfVSTDC1Lf+Uo-开光管T和二极管D：𝛻𝑖𝐿=𝑉𝑂𝐿𝑓𝑠1−𝐷=0.666𝐴峰值电流：𝑖𝐿𝑚𝑎𝑥=𝐼𝑂𝑚𝑎𝑥+12𝛻𝑖L=25.333A最大反向电压：VS=240VC1=220μFCf=10μFLf=1mH16Ω≥Ro≥1.6ΩT：P-MOSFETD：快速二极管1kw的变换器功率不大，采用有能耗串联缓冲和并联缓冲。1.开通缓冲设计500VP-MOSFET的di/dt额定为100A/μs，所以选择电感：𝐿≥𝑈𝑑𝑖/𝑑𝑡=240𝑉100𝐴/μs=2.4μH2.关断缓冲设计设P-MOSFET的电流恢复时间为0.2us,I=25.3A,按照临界缓冲计算电容Cs=tfi/2VD=0.012uF可选用一只500V/15nF的高频电容。由Δi=VD/RS不宜过大，电阻RS取15Ω。电阻耗能功率PR=0.5*Cs*VD^2*f=21.6W取电阻额定功率为40W。二极管选DSE160-06：60A,600V过压、欠压保护采用自锁式保护电路如图为过压保护电路基本原理图，当电路正常工作时Vo小于设定值Vref，此时比较器输出负电平，二极管不导通；当电路电压高于设定值时，比较器输出高电平，此时二极管导通。高电平时由于二极管的钳位作用，比较器将自锁定。无论电压信号如何变化，比较器均输出高电平信号不变。+经过计算取得如图数值200VVout240V𝑉𝑆=𝑉𝑖𝑅12𝑅11+𝑅125.35VVs6.42V在对Vref取值时应参考上述数值欠压比较器过压比较器R110.5k14.7kR211.8k12.0kVref6.35V5.39V输出电路参考输入电路设计思路经过计算取得如图数值36VVout44V4.89VVs5.98V在对Vref取值时应参考上述数值欠压比较器过压比较器R116.0k20kR211.0k20kVref4.88V6.0VVS=V0R12R11+R12霍尔电流模块设计IN=1KW/40V=25A取保护电流为27A采用电压输出型霍尔电流传感器，输出电压超过27A电流对应的输出电压时锁存输出低电平。5V电压保护信号电流保护信号10uFPWM信号S855020Ω30k100kMUR1201、采用直接驱动，CMOS电源为12V；2、开机延时约1s左右再使保护信号有效；3、串联20Ω电阻减小开通振荡，MUR120为超快速恢复二极管，与晶体管均可加速栅极电荷的释放；电压模式控制PWM（单环）在负反馈电路中，输出电压u经采样后与给定的参考电压Uref比较，得误差信号Ue送控制器，控制器输出信号UC送PWM环节，与PWM环节中的振荡器锯齿波时钟信号比较，使比较器输出为周期不变、脉冲宽度（即占空比D）受UC调制的一系列脉冲信号。再通过驱动器将脉冲信号放大，控制变换器的功率开关器件的导通与关断。改变占空比D即可调节开关变换器的输出电压U，这里的D称为控制量。当输入电压或负载发生变化，或系统受到其他干扰使输出电压发生波动时，通过负反馈电路可调节开关变换器的功率器件在一个开关周期内的导通时间达到稳定输出电压的目的。电压模式控制PWM（单环）优点：①振荡电路的锯齿波幅值较大，在进行脉冲宽度调制时有很好的抗噪声能力②控制电路只有电压闭环反馈，是单环系统，设计简单，调试方便缺点：对输入电压的动态响应较慢小信号分析法，是假设扰动信号很小，并且扰动信号的频率比开关频率小很多，在直流工作点附近线性化，将非线性方程近似为线性方程，再应用经典控制理论中分析线性系统的基本方法，设计补偿网络，使系统成为稳定系统，如电压型、电流型控制系统等。经过小信号分析，理想Buck电路的输出u(s)对控制变量d(s)的传递函数Gud(s)为：1)(2sRLLCsUgsGud其中，假定三角波的峰峰值采用5V，假定Vref=5V，则有如下推导：开环传递函数为：GH(s)=Gc(s)Gm(s)Gud(s)H(s))(4010*5.210*4220)(110*25.6102201*101*10*12201)(2.05/11)(81540)(532752822sGsssGHsssuFmHsuFmHVsRLLCsUgsGVsGVVsHVucudMMref)(4010*5.210*4220)(327sGsssGHc首先作出的Bode图如下：4010*5.210*4220)s(327ssX)(4010*5.210*4220)(327sGsssGHc由以上Bode图来设计Gc(s)，拟定选取相位超前校正器进行补偿：TsaTssG11)(c由自控理论知识计算得：α=5.06T=1.225*10^(-5)计算得到的传递函数如下：ssTsTssG5510*225.1110*2.6111)(c4010*99.210*036.410*9.40136.0220)(327312sssssGH作出的Bode图如下：4010*99.210*036.410*9.40136.0220)(327312sssssGHMATLAB仿真模型开环状态输出电压波形（输入200V,D=0.2）稳定时间约为2.5ms闭环状态输出电压波形（输入220V）稳定时间约为0.3ms纹波电压波形，纹波电压约为0.1/40=0.25%开环，输入电压在3.5ms时从200V突变到240V闭环，输入电压在3.5ms时从200V突变到240V