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Design des Ausgangskurzschlussschutzkreises eines militärischen Gleichstromwandlers mit hoher Leistung und großem Eingang

Design des Ausgangskurzschlussschutzkreises eines militärischen Gleichstromwandlers mit hoher Leistung und breitem Eingang


Zusammenfassung: This Der Artikel analysiert zunächst das Funktionsprinzip des traditionellen Ausgangskurzschlussschutzkreises und gibt an, dass sein Mangel in der militärischen Gleichstromwandleranwendung mit hoher Leistung und breitem Eingang aufgetreten ist dann wird eine neue Ausgangskurzschlussschutzschaltung vorgeschlagen Es ist besser geeignet für militärische Gleichstrom-Gleichstromwandler mit hoher Leistung und großer Reichweite Und das Funktionsprinzip und der Schlüsselbestandteil der Schaltung werden im Detail analysiert Schließlich wird die Simulationsanalyse des Vergleichs zwischen der traditionellen Schaltung und der vorgeschlagenen Schaltung durchgeführt durch Verwendung von Säbelsimulationssoftware

Schlüssel Wörter: Kurzschlussschutz, Stromwandler, dreifach Kompensation, Weitbereichsspannungseingang


1. Einleitung

Die Eingangsstrom der Hochleistung und Weitbereich Eingang Militär DC DC Wandler ist in der Regel sehr groß wenn es funktioniert, wenn Der Kurzschlussfehler tritt plötzlich im Arbeitsprozess auf und das Netzteil hat keine Kurzschlussschutzfunktion. Das Netzteil im Netzteil kann aufgrund eines sofortigen Überstroms durchgebrannt sein, was zur Beschädigung von führt die gesamte Stromversorgung. Die herkömmliche Ausgangs-Kurzschlussschutzschaltung ist jedoch nicht für Hochleistung und Weitbereich geeignet Eingabe Militär DC DC Konverter weil von einigen Mängeln. This In diesem Artikel wird eine verbesserte Ausgangsschutzschaltung für Hochleistung und Weitbereich vorgestellt Eingang Militär DC DC Konverter.

traditionelle Kurzschlussschutzschaltung

Die Das Funktionsprinzip der Schaltung ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Der Eingangsstrom der Schaltung wird mit abgetastet Rs, und die abgetastete Wechselspannung wird durch D1, R2, C2 gleichgerichtet und erfasst und dann mit dem positiven Eingangsanschluss des Komparators verbunden Die Komparator wird mit geliefert eine Referenzspannung (VREF Klemme) in einem PWM Steuerchip, und die Referenzspannung wird an den negativen Eingangsanschluss des Komparators angeschlossen nach Division durch Widerstände R3 und R4 als Schwellenspannung für den Kurzschlussschutz Durchlass-Eingangsspannung des Komparators ist v + und die umgekehrte Eingangsspannung ist V-. Wann es tritt ein Kurzschlussfehler auf, v + > V-, der Komparator Ausgang ist hoch, der Transistor vi ist eingeschaltet, das Comp-Ende der PWM Chip wird heruntergezogen, der Ausgangsimpuls der PWM Der Chip wird ausgeschaltet und die Stromversorgung tritt in den Schutz ein der Kurzschlussfehler ist beseitigt, v + < V-, der Komparator Der Ausgang ist niedrig, die Triode vi 1 ist ausgeschaltet und die Schaltung kehrt zum normalen Betrieb zurück durch die Analyse der Schaltung if Es wird auf Hochleistung und Weitwinkeleingang angewendet Militär-DC-DC-Wandler gibt es hauptsächlich die folgenden Mängel:

1) Wann Die Ausgangsleistung des Netzteils ist groß, der Eingangsstrom ist relativ groß und der Verlust an rs ist groß verringert den Wirkungsgrad der Stromversorgung

2) wenn der Eingangsspannungsbereich der Stromversorgung ist relativ breit, die ansteigende Steigung der Stufenwelle des von rs erfassten primären Spitzenstroms variiert stark mit die Eingangsspannung und wenn es tritt ein Kurzschlussfehler auf, seit Die ansteigende Steigung des primären Spitzenstroms am oberen Eingangsende ist viel größer als die ansteigende Steigung des primären Eingangsspitzenstroms am unteren Ende, eine Kurzschlussschutzschwellenspannung (Punkt b Spannung) unter Unter den gleichen Umständen variiert der Wert des Kurzschlussschutzstroms stark, wenn Die Schwellenspannung des Kurzschlussschutzes ist nicht richtig eingestellt. Es scheint sogar, dass die Eingangsspannung am unteren Ende nicht geschützt werden kann und das obere Eingangsende nach dem Eintritt in den Schutz nicht wiederhergestellt werden kann Dies wird die Schwierigkeit des Debuggens des Kurzschlussschutzes erheblich erhöhen



Abbildung 1. konventionelle Kurzschlussschutzschaltung



Verbesserte Kurzschlussschutzschaltung

In Anbetracht der herkömmlichen Ausgangskurzschlussschutzschaltung gibt es zwei Mängel bei der Anwendung von Hochleistung Weitbereich Eingang Militär DC DC Konverter, this Papier schlägt vor, eine verbesserte Ausgangsschutzschaltung kann diese lösen Zwei Probleme, das Schaltbild ist in Abbildung 2 dargestellt, seine größten Eigenschaften sind:

1) Die Der Stromwandler wird verwendet, um den Eingangsspitzenstrom abzutasten, der kann nicht nur den durch Rs verursachten Leistungsverlust reduzieren, sondern auch eine elektrische Isolation realisieren und Interferenzen reduzieren.

2) Kompensationsmaßnahmen werden für die Schwellenspannung des Kurzschlussschutzes, dh eines Kompensationswiderstands R1 , getroffen ist zwischen der Eingangsspannung und dem umgekehrten Eingangsende (Punkt B) angeschlossen des Komparators, so dass wenn ändert sich die Eingangsspannung, die Schwellenspannung des Kurzschlussschutzes wird entsprechend angepasst und wenn Die Eingangsspannung des Produkts liegt im oberen und unteren Bereich. Der Wert des Kurzschlussschutzstroms unterscheidet sich nicht wesentlich, wodurch das Debuggen der Kurzschlussschutzfunktion erleichtert wird




Abbildung 2: Verbesserte Kurzschlussschutzschaltung


Die Die Schaltung verwendet einen Stromwandler, um den Eingangsstrom der Schaltung abzutasten, wobei R2 setzt den Stromwandler zurück, der Strom fließt durch D1 und R3 Um eine pulsierende Gleichspannung zu erhalten, durchläuft die Spannung eine Spitzenerfassungsschaltung, die aus D2, R5, R6 besteht und C2 und ist mit einem positiven Eingangsanschluss eines Komparators und der Referenzspannung der PWM verbunden Der Chip durchläuft die Spannungsteile der Widerstände R1, R7 und R8 um eine Spannung zu erhalten VT1.Nach die Spannungsteilung von R1, R7 und R8, VIN erhält eine Kompensationsspannung VT2, T1 und VT2 überlagert und mit dem umgekehrten Eingangsende des Komparators verbunden sind als Schwellenspannung des Kurzschlussschutzes die positive Klemmenspannung des Komparators ist v +, die negative Klemmenspannung des Komparators ist V-, wenn Das Netzteil hat einen Kurzschlussfehler, v + > V-, der Ausgangspegel des Komparators hoch ist, ist der Transistor vi 1 eingeschaltet, der Comp-Pin der PWM Der Chip wird heruntergezogen, und dann wird der Ausgangsimpuls ausgeschaltet der Kurzschlussfehler verschwindet, v + < V-, der Komparator Ausgang ist hoch und die Schaltung funktioniert normal Das Design des Stromwandlers und die Kurzschlussschutzschwellenkompensationsschaltung sind die beiden Hauptteile der Schaltung. Im Folgenden wird auf die Analyse dieser Schaltkreise eingegangen zwei Teile der Schaltung.

3.1 Analyse und Design des Stromwandlers

Die Stromwandler ist in unterteilt der Wechselstromwandler und der Impulsgleichstromwandler, beide von ihnen Verwenden Sie das Prinzip der elektromagnetischen Isolation des Transformators, um die Erfassung des gemessenen Stroms zu realisieren Die Unterschied zwischen ihnen ist, dass in dem Wechselstromtransformator das Wechselsignal den Magnetkern des Transformators symmetrisch magnetisiert, während in dem Gleichstromimpulstransformator der Magnetkern unidirektional magnetisiert ist, was gehört zum Arbeitsmodus des Vorwärtswandlers Normalerweise wird bei der Anwendung einer Schaltstromversorgung der Impulsgleichstromtransformator verwendet Wann Beim Entwurf der gegenseitigen Induktion des Impulsgleichstroms müssen die folgenden Anforderungen erfüllt sein :.

(1) Die Materialien mit kleiner magnetischer Rest und hohe Permeabilität sollte ausgewählt werden, um den Transformator herzustellen, und der ringförmige Magnetkern wird normalerweise verwendet, um den Magnetkern des Transformators auf der lokalen Magnetisierungskurve arbeiten zu lassen

2) Die Die Kernrücksetzschaltung muss für den Gegeninduktor ausgelegt sein, weil in der Gleichstromimpuls-Gegeninduktivität ist der Magnetkern unidirektional magnetisiert, was kann leicht die Sättigung des Magnetkerns verursachen Normalerweise besteht die einfachste Methode zum Zurücksetzen des Kerns darin, einen großen Widerstand vor der Sekundärdiode des Gegeninduktors mit der Masse zu verbinden, beispielsweise den Widerstand R2 in Abbildung 2.

(3) Um den Verlust zu reduzieren, wird der Stromwandler mit hohes Drehverhältnis sollte gewählt werden, aber das Drehverhältnis sollte nicht zu groß sein, weil if Die Anzahl der Windungen auf der Sekundärseite ist zu groß, ihre verteilte Kapazität wird ebenfalls groß und wenn Wenn der Kern zurückgesetzt wird, wird die Resonanzperiode zwischen der sekundärseitigen Induktivität und der verteilten Kapazität länger, also wenn Wenn die Einschaltdauer relativ hoch ist, hat die sekundärseitige Spule nicht genügend Zeit, um Energie freizugeben, um den Kern zurückzusetzen. Daher dauert das Windungsverhältnis der primären und sekundären Seite des Stromwandlers normalerweise 1: 30 bis 1: 50.

Analyse und Design von 3.2 Kurzschlussschutzschwellenkompensationsschaltung

Die Kurzschlussschutzschwellenschaltung von this Die Schaltung wird durch Anschließen eines Kompensationswiderstands R1 realisiert zwischen der Eingangsspannung und dem Sperreingang des Komparators, und der Wert von ri wird gemäß den tatsächlichen Schaltungsanforderungen bestimmt

wie in FIG. gezeigt 2, if die Spannung von Punkt B, I. E., die Schwellenspannung des Kurzschlussschutzes ist VB, dann kann sie gemäß dem Überlagerungssatz auf der Grundlage der Schaltungsanalyse erhalten werden



Die VB Wert welcher ist nicht schwer zu finden von die Formel (1) besteht aus zwei Teilen Wenn Der Wert des ersten Teils ist VB1 und der Wert des zweiten Teils ist VB2, die folgende Gleichung kann erhalten werden


Von die Formel (3) (4) ist ersichtlich, dass wenn R1, R7, R8 gegeben ist, der Wert von VB1 Änderungen in direktem Verhältnis zur Änderung der Eingangsspannung VIN und des Wertes von VB2 ist ein fester Wert im Allgemeinen VB und VIN Werte sind positiv korrelierte Änderungen, niedrige Eingangsspannung, Kurzschlussschutzschwellenspannung wird reduziert, hohe Eingangsspannung, Kurzschlussschutzschwelle wird erhöht auf die tatsächliche technische Erfahrung und die vorherige Analyse, wann Das Netzteil verwendet die herkömmliche Kurzschlussschutzschaltung, die Größe des Kurzschlussschutzstroms und den Wert der Eingangsspannung VIN negativ korreliert sind, je niedriger die Eingangsspannung, desto größer der Kurzschlussschutzstrom, desto höher die Eingangsspannung, desto kleiner der Kurzschlussschutzstrom und je breiter der Eingangsspannungsbereich, desto größer ist die Variation des Kurzschlusses Schutzstrom zwischen hoher und niedriger Eingangsspannung this Schaltung, weil Um die Kompensationsmaßnahme auf den Schwellenwert des Kurzschlussschutzes anzuwenden, ist der Schwellenspannungswert des Kurzschlussschutzes am unteren Eingangsende der Stromversorgung niedriger als das am Eingang high end. verglichen mit Bei der herkömmlichen Schutzschaltung kann der Kurzschlussschutzstrom am unteren Eingangsende der Stromversorgung entsprechend ansteigen und schließlich das Ziel erreichen, dass sich der Wert des Kurzschlussschutzstroms nicht zu stark unterscheidet, wenn Das Netzteil wird in einem weiten Spannungsbereich eingespeist

Ergebnisse des Simulationsexperiments

Die traditionelle Kurzschlussschutzschaltung und die in this vorgeschlagene Kurzschlussschutzschaltung Papier wird auf ein 65W aufgetragen Single-Ended Flyback Konverter jeweils und die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Designspezifikationen des Flyback Konverter sind wie folgt:


(1) Vergleich der Energieeffizienzergebnisse

Tabelle 2 Vergleichstabelle der Stromversorgungseffizienz zwischen herkömmlicher Schutzschaltung und verbesserter Schutzschaltung


wie aus von ersichtlich ist Tabelle 2, Wirkungsgrad der Stromversorgung mit Die verbesserte Schutzschaltung ist offensichtlich höher als das mit die traditionelle Schutzschaltung

(2) vergleichende Analyse des Kurzschlussschutzstroms der Stromversorgung

1) Die Situation wenn Es wird die herkömmliche Schutzschaltung verwendet



Abbildung 3 Schwellenspannung unter Verwendung einer herkömmlichen Kurzschlussschutzschaltung


Abbildung 4 Wellenform des Versorgungseingangsstroms für den herkömmlichen Kurzschlussschutz am Ausgang

Fig. 3 ist die Schwellenspannung der herkömmlichen Kurzschlussschutzschaltung von Die Figur ist zu sehen, wenn Wenn sich die Eingangsspannung ändert, ist ihr Wert fest, etwa 0,42 V, Abbildung 4 zeigt die Verwendung der herkömmlichen Kurzschlussschutzschaltung VIN bei 15V, 28V, 50V, Leistungskurzschluss, Eingangsstromwellenform, von Die Figur ist zu sehen, wenn VIN = 15 V beträgt der durchschnittliche Eingangsstrom der Stromversorgung etwa 1,69 A, wenn VIN = 28V beträgt der durchschnittliche Eingangsstrom der Stromversorgung etwa 0,81 A; wenn VIN = 50V beträgt der durchschnittliche Eingangsstrom der Stromversorgung etwa 5; Schlussfolgerung: 0,41A. Es ist ersichtlich, dass in der Stromversorgung unter Verwendung einer herkömmlichen Kurzschlussschutzschaltung wenn Der Eingangsbereich des Netzteils ist breit, die Variation des Eingangskurzschlussschutzstroms des Netzteils mit Die Eingangsspannung ist sehr groß

2) Die Kurzschlussschutzschaltung in this verbessert Papier wird angenommen


Abbildung 5 Änderung der Schwellenspannung mit Verbesserter Kurzschlussschutz am Ausgang


Abb 5 ist ein Fall wo Die Schwellenspannung der verbesserten Kurzschlussschutzschaltung ändert sich mit die Eingangsspannung, und es kann von gesehen werden die Zahl, dass sich die Schwellenspannung der Kurzschlussschutzschaltung mit ändert die Änderung der Eingangsspannung und steigt mit die Erhöhung der Eingangsspannung und 6 ist eine Wellenform des Eingangsstroms wenn Die Eingangsspannungen betragen 15V, 28V, 50V und die Stromversorgung ist kurzgeschlossen und kann von aus gesehen werden die Zahl, die wann Die Stromversorgung ist kurzschlussgeschützt, wenn v = 15V, Der durchschnittliche Eingangsstrom während Ein Kurzschluss zur Stromversorgung beträgt ca. 1,26 A, wenn v = 28V, der durchschnittliche Eingangsstrom während Der Kurzschluss der Stromversorgung beträgt ca. 0,80 A, wenn VN = 50V, der durchschnittliche Eingangsstrom während Der Kurzschluss der Stromversorgung beträgt ca. 0,75 A, so dass wenn Der Eingangsbereich des Netzteils ist breit, die Variation des Kurzschlussschutzstroms des Netzteils mit Die Eingangsspannung ist offensichtlich im Vergleich zu verbessert die der Stromversorgung unter Verwendung des herkömmlichen Kurzschlussschutzes




Abbildung 6 Wellenform des Versorgungseingangsstroms unter Verwendung einer verbesserten Ausgangskurzschlussschutzschaltung

5. Schlussfolgerung

im Hinblick auf die Begrenzung der herkömmlichen Ausgangsschutzschaltung wenn es wird im Hochleistungs- und Weitbereich eingesetzt Eingang Militär DC DC Konverter, this In diesem Artikel wird eine verbesserte Kurzschlussschutzschaltung vorgestellt, die reduziert nicht nur den Verlust, sondern auch die Variationsamplitude des Kurzschlussschutzstroms mit die Eingangsspannung und verringert die Schwierigkeit des Debuggens des Kurzschlussschutzes erheblich

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