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Design eines Hochleistungs-Gleichstromwandlers mit transienter Unterdrückung


Zusammenfassung: This Artikel stellt das Entwurfsschema eines Gleichstromwandlers mit transienter Unterdrückung und hoher Leistung vor Die Das Konstruktionsprinzip und die Schlüsseltechnologie werden analysiert und die Konstruktionssimulation und das Experiment werden implementiert Endlich sind die wichtigsten technischen Spezifikationen und Testergebnisse angegeben

Schlüsselwörter: hohe Leistung, Transientenunterdrückung , Wirkungsgrad, breiter Eingangsspannungsbereich, Simulation


1. Einleitung

Da unser Waffensystem entwickelt und das Flugzeugsystem seine Leistung erhöht, ist der Bedarf an aufeinander abgestimmten Komponenten immer höher gemäß der Anfrage für GJB181 Gleichstromwandler für Flugzeugstromversorgungssysteme erfüllen die Anforderungen der 80V / 50ms Eingangsspannungsstoß Unterdrückung.

Die Artikel stellt eine 50W vor DC DC-Wandler mit 16-40V Eingang und 5V isolierte Ausgabe. Außerdem untersuchen wir die Schlüsseltechnologie des Hochleistungs-Gleichstromwandlers mit transienter Unterdrückung unter dem Winkel des Entwurfs der Schaltung und vergleichen die Produkte simulierte Analyse mit Leistung Die Produkt verwendet das einfache Ende Vorwärtstopologie, so dass sie die Vorteile einer hohen Ausgangsspannungsgenauigkeit, einer Niederspannungsregelung, einer Niedriglastregelung, einer hohen Zuverlässigkeit und der Funktionen von Verbotstanz, Unterspannung aufweist und Kurzschlüsse Schutz.

2 Die Aufbau des Hochleistungs-Gleichstromwandlers mit transienter Unterdrückung

Die Gleichstrom-Gleichstromwandler muss die Anforderungen von 80V / 50ms erfüllen Transiente Unterdrückung der Eingangsspannung durch GJB181. Während Bei praktischer Anwendung des Gleichstromwandlers gibt es zwei Definitionen der Überspannungsunterdrückung: man stoppt den verletzten Gleichstromwandler bei Überspannung Ein anderer Grund ist, dass der Gleichstromwandler bei Überspannung normal arbeitet Zu Laden Sie das Flugzeugsystem stabil auf und halten Sie die Nachladearbeiten normal während die 80V / 50ms Stoßspannung, der Gleichspannungswandler ist für die Erfüllung der Anforderung eines normalen Betriebs mit ausgelegt 80V / 50ms Stoßspannung

2.1 Die Technologie von 80V / 50ms Übergangsunterdrückung Gleichstromwandler

Beim Entwurf des Gleichstromwandlers für die transiente Unterdrückung gibt es zwei Ideen: man benutzt die Eingangsspannungsklemmung, um den Einfluss der Stoßspannung auf den Gleichstromwandler zu stoppen, von dem Nachteil ist unwirksam. Ein anderer ist, dass der Gleichstromwandler mit transienter Unterdrückung einer hohen Stoßspannung widersteht der Artikel angewendet.


Es gibt drei Probleme wenn Wir entwerfen den Gleichstromwandler für die transiente Unterdrückung:

(1) Die Teile des Eingangsfilters und der Hilfsstromversorgung: Die 80V Eingangsspannung wirkt direkt auf

der Eingangsfilterkondensator und die zusätzlich geladene Triode. Zu Um die Zuverlässigkeit der Stromversorgungsmodule zu gewährleisten, wählen wir das Gerät mit der Spannungsnachweis, der die Leistungsreduzierung erfüllt aufgrund der hohen spannungssicheren Eingangskondensator mit große Größe, müssen wir Layout Design anpassen.

(2) Die Teil der Änderung der Macht: Wann Die Eingangsspannung beträgt 80V, der MOSFET Die Spannungsbelastung steigt um mindestens 40V und der Ausgangsgleichrichter Schottky Die Spannung der Diodenspannung steigt um mindestens 20V. Das drängt uns, MOSFET zu wählen und Schottky Diode mit höher spannungssicher. Und Wir müssen auch den hohen Leistungsverlust von MOSFET messen und Schottky.

(3) Die Teil des Transformators und Rückkopplungssteuerung: Wann Die Eingangsspannung beträgt 80 V, die Gleichstromunterdrückung Tastverhältnis ist klein. Das macht die Schleifenschaltung instabil. Und wir müssen das Tastverhältnis mit erhöhen Steigungskompensationsschaltung und stabilisieren Sie die Schaltung mit geeignetes Rückkopplungsnetz und Schaltungen Null Pol.

2.2 die Effizienz studieren

Zu Lassen Sie den Konverter 80V / 50ms tragen Stoßspannung wählen wir viele Leistungsgeräte mit Hochspannungswiderstand dessen Ron ist groß und Ton ist lang. Weil der Konverter in 80V / 50ms Die Stoßspannung erreicht eine Spannungsspitze am Leistungsgerät und verringert die Produktmenge Effizienz, um sie zu vermeiden, müssen wir das Produkt verbessern. Es gibt drei Aspekte des internen Verlusts bei der Schaltstromversorgung: Schaltverlust, Leitungsverlust und sonstiger Verlust

Die Schaltverlust ist der zum Zeitpunkt des Geräts ein-aus, der Schalter hat Streukapazität und parasitäre Induktivität welche Stoppen Sie die plötzliche Änderung von Spannung und Strom, dann bilden die am Schalter abwechselnden Spannungen und Ströme den Schaltverlust

Zu Verringern Sie den Schaltverlust. Es gibt verschiedene Möglichkeiten:

(1) Beschleunigen der Geschwindigkeit beim Ein- und Ausschalten der Antriebswellenform und Verringerung des Schaltverlusts Die Abbildung 2 (a) zeigt den Totempfahl Ansteuerschaltung bestehend aus den Trioden einschließlich NPN und PNP. Wann Die Ansteuerschaltung wird hinzugefügt, die Geschwindigkeit des Mos Grids steigende Flanke und fallende Flanke ist schneller. Wir kann sie sehen in Abbildung 2 (b). zu diesem Zeitpunkt die MOSFETs Der Schaltverlust nimmt anscheinend ab


Abbildung 2 (a) Die Ansteuerschaltung


Abbildung 2 (b) Die mos grid’s Wellenform des Hinzufügens einer Ansteuerschaltung hin und her


(2) Hinzufügen von RC auf dem MOSFET und Schottky Diode zur Absorption des Netzwerks und zum Umgang mit Der Peak kann die Leistung der Röhre teilweise teilweise verringern Schaltverlust und Erhöhung der Schaltkreise Zuverlässigkeit

Die Verlust leiten ist das wenn das Gerät arbeitet, der Antrieb und die Wellenform sind stabil, der leitende Verlust kommt von das Einschalten Netzschalter. Die Der leitende Verlust kann I2dRdsRds (OH) sein.

(1) Wir Verbinden Sie zwei kleine Mos parallel, verringern Sie MOSFET leitender Widerstand und leitender Verlust

(2) Wir Verbinden Sie zwei Ausgangsgleichrichter Schottky parallel dazu Schottky verringern leitender Widerstand und leitender Verlust

Außerdem ergreifen wir die folgenden Maßnahmen, um andere Verluste in der Schaltung zu verringern und den Wirkungsgrad zu erhöhen:

(1) Wir bieten Steuerchips die Versorgungsspannung unter Verwendung der Rückkopplungswicklung (Induktor Probe) an. Nachdem die Schaltung vollständig gestartet ist, verwenden wir die Rückkopplungswicklung, um die Hilfsversorgungs-Triode zum Laden der Chips zu ersetzen, so dass der statische Leistungsverlust an der Hilfsversorgungs-Triode klein wird.

(2) Wir Verwenden Sie die Stromwandlerprobe anstelle der Widerstandsprobe Die Die Struktur der Stromwandlerprobe ist in der Abbildung 3. dargestellt sowohl die Sekundärspule als auch die Primärspule befinden sich auf demselben geschlossenen Eisenkern, dessen Das aktuelle Verhältnis ist gleich dem Windungsverhältnis Die Stromwandler hat komplexe Schaltkreise, aber geringen Energieverbrauch und gute Signalreduzierbarkeit es kann Steuerkreis von isoliert werden Hauptstromkreis und erhöhen effektiv die Effizienz des Stromkreises und stellen sicher, dass der Stromkreis Jeder Index erfüllt die Anforderungen Die Die Abtastschaltung ist in der Abbildung 4. dargestellt


Abbildung 3 Die Modell des Stromwandlers

Die Der Verlust des Transformators des Probenahmegeräts umfasst Kupferverlust und Eisenverlust Die Eisenverlust kann ignoriert werden Die Kupferverlust ist n ist das Verhältnis von Primär- und Sekundärspule des Stromwandlers Iin ist Eingang Strom. Wenn Wir verwenden den herkömmlichen Abtastwiderstand, der Verlust am Abtastwiderstand beträgt I2inRsense. Weil Rrms und Rsense Sind alle Rang von mΩ, können wir feststellen, dass der Verlust am Transformator viel kleiner ist als der Verlust am Abtastwiderstand


Abbildung 4 Die Stromwandler-Abtastschaltung

(3) Wir Wählen Sie eine Sandwichwicklung, um die Transformator zu verringern Leckinduktivitätsspitze und Hauteffekt, so dass die Summe aus Kupferverlust, Eisenverlust, Hauteffekt, Proximity-Effekt und Wirbelstrom Verlust ist am kleinsten.

2.3 Die Design eines breiten Eingabebereichs

(1) Die Hangkompensationsfähigkeit

Weil Der Konverter wird gebeten, unter 80V / 50ms stabil zu arbeiten Stoßspannung, wenn Die Eingangsspannung beträgt 16 V, die Gleichstromunterdrückung Das Tastverhältnis liegt über 0,7. Zu Stoppen Sie die Erzeugung der zweiten Harmonischen wenn Schaltung Das Tastverhältnis d liegt über 0,5, die Steigungskompensationsschaltung wird hinzugefügt Die Das Prinzip der Steigungskompensationsschaltung ist in der Abbildung 5. dargestellt Wir eine Kompensationsschaltung mit hinzufügen die Steigung von -m (m> 0) auf die induzierte Spannung von induktiver Strom durch die Steigungskompensationsschaltung zum Erhalten eines stabilen induktiven Stroms Wellenform.

Die Der Wandler verwendet die Kompensationsmethode des Emitterfolgers welche ist in der Abbildung 5 dargestellt. PWM Das Oszillatorsignal wird zur Spitzenstromabtastung durch Triode und Widerstand mit addiert Trioden Verstärkung, um die kompensierenden Netzwerke zu erhöhen äquivalenter Widerstand zur Verringerung des Einflusses von Kompensieren des Netzwerks zur Arbeitsfrequenz


Abbildung 5 Die Emitter Follower Steigungskompensationsschaltung

In der Zwischenzeit wenn die 80V / 50ms Die Stoßspannung wird durchgelassen, um sicherzustellen, dass die Schleife Stabilität wird ein kleiner Kondensator zwischen 3 und 4 von PWM. überbrückt Wir PWMs einstellen 3 Wellenform, um zu vermeiden, dass das niedrige Tastverhältnis die Interferenzspannung im Vergleich zum Ende stört

Zu Stellen Sie sicher, dass der Transformator unter 16-40V stabil arbeitet Eingangsspannung und 80V / 50ms, die des Wandlers maximales Tastverhältnis Dmax = 0,75.

(2) Die Design des Transformators

Die Der Konverter verwendet den Magnetbehälter mit Vorwärtstopologie, 50W Leistung und die 22mm2 gewählte magnetische Kerne effektive Querschnittsfläche Ae. es wählt auch großen magnetischen Fluss △ Bmax und verlustarme Magnete Weil die Schaltung Das maximale Tastverhältnis ist größer als 0,5, um ein stabiles Arbeiten im Eingangsbereich zu gewährleisten, das maximale Tastverhältnis Dmax wird als Entwurfsgrundlage angesehen Die Transformator Der Entwurfsprozess der Hauptparameter ist in der Abbildung 6 dargestellt:


Abbildung 6 Die Transformator Entwurfsprozess der Hauptparameter

in der Abbildung 6: Ae ist der magnetische Kern effektive Querschnittsfläche; VIN (min) ist die minimale Eingangsspannung; △ Bmax ist der maximale magnetische Arbeitsfluss Dichte; Dmax ist das maximale Tastverhältnis; t ist der Konverter Arbeitszeit

(1) Die primäre Windungszahl und Drahtdurchmesser

Wann das untere Ende 16V wird eingegeben, das System Das Tastverhältnis beträgt max. nach dem Faraday's Nach dem Gesetz der Induktionsformel können wir die Anzahl der Windungen des Transformators ermitteln Primärspulen:


(2) Die sekundäre Windungszahl und Drahtdurchmesser


nach dem Prinzip des Vorwärtswandlers beträgt die Eingangs- und Ausgangsspannung :

wir sind Schottkys Durchlassspannungsabfall welche ist 0,15 V Wenn das untere Ende 16V eingegeben wird, beträgt das Tastverhältnis 0,75 und die Primärspulen Anzahl der Umdrehungen ist 6, dann können wir die Formel verwenden: Ns = 3,22

In Anbetracht des Wirkungsgrads beträgt das endgültig gewählte Drehverhältnis 6: 3.

3 Die Simulationsanalyse und das Ergebnis der Produktvalidierung

Wir Verwenden Sie Säbel, um die Simulationsanalyse für das Produkt von 50W durchzuführen einfach 5V / 10A. Unter den Bedingungen unterschiedlicher Eingangsspannung und unterschiedlichen Laststroms arbeitet der Wandler stabil, das Tastverhältnis und der theoretische Aufbau sind ähnlich, die Wellenformen des MOSFET und Schottky sind ähnlich mit die theoretische Berechnung. Das bedeutet, dass die theoretische Analyse verifiziert ist

3.1 Die Ausgangsspannung des Gleichstromwandlers mit transienter Unterdrückung

Wann die 28V Volllast wird eingegeben, die Ausgangsspannungswellenform ist in Abbildung 7 dargestellt, die Simulationswellenform entspricht der realen Welle Die Wellenformen des Eingangsstroms und der Ausgangsspannung sind stabil und arbeiten schnell.


Abbildung (a) Die Simulationswellenform


Abbildung (b) Die echte Wellenform

3.2 Die Wellenformen des MOSFET Drain-Quelle und Schottky

MOSFET Drain-Quelle Spannung vds und Netzspannung VGS sind in den Abbildungen 8 und 9 dargestellt. Die sekundäre Schottky Wellenformen sind in den Abbildungen 10 und 11 dargestellt.

Von In den Abbildungen 8 bis 11 sehen wir, dass der Wandler im gesamten Spannungseingangsbereich stabil arbeitet Die low-end Das Tastverhältnis beträgt 0,75 und das High-End Das Tastverhältnis beträgt 0,29. Weil der Existenz des realen Produkts Bei der Streuinduktivität der Transformator- und Teileparasitenparameter in der Schleife gibt es verschiedene Unterschiede zwischen der Simulationswellenform und der realen Welle aber der Konverter Arbeitsposition und Spannungsbelastung stimmen überein, die Geräte erfüllen die Leistungsreduzierungsanforderungen und die Arbeitsposition ist stabil.


Abbildung (a) 16V volle Ladung


Abbildung (b) 28V volle Ladung

Abbildung (c) 40V volle Ladung

Abbildung 8 Die Simulationswellenform von MOS vds und VGS

Abbildung (a) 16V volle Ladung

Abbildung (b) 28V volle Ladung

Abbildung (c) 40V volle Ladung

Abbildung 9 Die reale Wellenform von MOS vds und VGS

Abbildung (a) 16V volle Ladung

Abbildung (b) 28V volle Ladung

Abbildung (c) 40V volle Ladung

Abbildung 10Die Simulationswellenform von Schottky

Abbildung (a) 16V volle Ladung

Abbildung (b) 28V volle Ladung

Abbildung (c) 40V volle Ladung

Abbildung 11 Die reelle Wellenform von Schottky

3.3 Die Änderung der Laststufe

Wann Die Eingangsspannung ist der Nennwert, die Last von voll bis halb und von halb bis voll bewirkt eine Änderung der Ausgangsspannung entsprechend. Sie sind in der Abbildung 12 dargestellt. Die Laden Schritte Simulationswellenform und reale Welle sind ähnlich und entsprechen den Indizes Anforderungen Die Die Wiederherstellungszeit des Ladeschritts ist die Bedingung wenn Die Ausgangsspannung kehrt zu 1 % zurück stabiler Wert. Die Laden Schritte Simulation und reale Ergebnisse sind ähnlich und entsprechen den Indizes Anforderungen

Abbildung (a) Die Simulationswellenform

Abbildung (b) Die echte Wellenform

Abbildung 12 Die Lastschritt-Wellenform

3.4 Die Eingangsschritt Wellenform

Wann die Last ist voll, die Eingangsspannung ist von die min bis max und von Das Maximum bis Min, die Ausgangsspannungswellenform ist in der Abbildung 13 dargestellt. Die Die Wiederherstellungszeit des Ausgabeschritts ist die Bedingung wenn Die Ausgangsspannung kehrt zu 1 % zurück stabiler Wert. Die Ausgabe Schritte Simulation und reale Wellenformen sind ähnlich und entsprechen den Indizes Anforderungen

Abbildung (a) Die Simulationswellenform

Abbildung (b) Die echte Wellenform

Abbildung 13 Die Eingangsschritt Wellenform

4. Fazit

Auf der Grundlage der Untersuchung des Hochleistungs-Gleichstromwandlers mit transienter Unterdrückung analysiert der Artikel seine Überspannungsunterdrückung, Effizienzverbesserer und den weiten Eingangsbereich Mit die ausreichende theoretische Forschung, simulierte Analyse und zuverlässige Vorhersage, die tatsächlichen Indizes des Produkts mit der Bezeichnung 5V / 10A Die von uns entwickelte Unterdrückung einzelner Transienten erfüllt alle Anforderungen Es überprüft auch die Machbarkeit der technischen Route, die Genauigkeit des theoretischen Entwurfs und die Zuverlässigkeit der simulierten Analyse


Referenz:

[1] Abraham I. Pressman , Keith Abrechnungen , Taylor Morey , Schalten Stromversorgung Design, Peking; Verlag der Elektronikindustrie, 2010.

[2] Zhang Zhan-Lied, Cai Xuan-san, The Prinzip und Aufbau des Schaltnetzteils, Verlag der Elektronikindustrie, 1998.

[3] Marty Braun. Die Anleitung zum Entwerfen der Schaltleistung Versorgung. Maschinenbau Presse, 2004.

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