超宽范围输人电压Buck变换器设计

电压Buck变换器设计

第４５卷第９期电力电子技术

ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｍＩｌｉｃｓ

Ｖ０１．４５．Ｎｏ．９Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２０１１

２０１１年９月

超宽范围输人电压Ｂｕｃｋ变换器设计

熊才伟，朱永亮

（中国电子科技集团公司第１４研究所，江苏南京２１００３９）

摘要：针对风力发电中Ｄｃ，Ｄｃ模块电源高可靠性、超宽输入电压范围、高效率、高功率密度的要求，设计了单级Ｂｕｃｋ变换器，采用ｕｃ２８４３芯片为控制核心及峰值电流控制模式，并加入斜坡补偿技术，满足超宽输入电压范围内电源的稳定；改进了保护电路，使电源能具备长时问短路并可自动恢复及过温、输入过，欠压等保护功能，提高了电源可靠性。最后通过样机的设计，满足了各种指标要求，验证了此电源模块设计的正确性。

关键词：变换器；超宽范围；峰值电流控制；短路保护

中图分类号：ＴＭ４６

文献标识码：Ａ文章编号：１０００—１００Ｘ（２０１１）０９－００５８—０３

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引言Ｂ眦ｋ变换器控制回路设计

一般Ｂｕｃｋ电路中．较常使用的控制方式为电

风力发电的变桨电机制动系统中需要一种可靠的模块电源，它要求：①高效率的蓄电池输入；

２．１控制方式的确定

②２８～１６０ｖ超宽输入直流电压范围：③高功率密

度，输出为２４

Ｖ，１３

Ａ，体积要求９０ד×２６删ｎ３；

压型和峰值电流型。在仅电压环形成闭环控制的电压型ＰＷＭ控制方式中．由于ＬＣ滤波器中存在电感￡，导致了１８０。相移和４０ｄＢ，ｄｅｃ的增益衰减，导致电压模式环路不易稳定．特别是对于电源要求的宽范围输入电压条件。而在输出电感峰值电流内环和电压外环的电流模式控制方式中．通过小信号分析，输出电感可视为一个恒流源，输出可视为一个电流源给并联的电容和负载电阻供电，故仅造成９００相移和２０ｄＢ，ｄｅｃ的增益衰减．使得误差放大器的补偿简化．适应于该输入电压和负载大

范围变化的场合。

④高可靠性．适用于海边等恶劣环境。由于输入电

压变化范围很宽（１：６），最低输入与输出电压差值小（占空比达９０％），且为了保证因变桨电机频繁起停而导致负载突变时的电源稳定．通常采用两级变换，电压输入较低时先升压后再进行降压。但采用两级变换。必然减少了效率．增大了电源的体积，这与电源要求的高功率密度、高效率不符。为提高电源效率及可靠性．在超宽范围输入电压的直流稳压源的设计中．采用高频高效的单级Ｂｕｃｋ变换器及有效的控制方式满足全输入电压及全负载范围内电源的稳定。

电源采用峰值电流模式的控制方式．由峰值电流模式控制芯片ＵＣ２８４３构成ＰＷＭ控制电路１１＿３ｌ。图ｌ示出Ｂｕｃｋ主电路及控制驱动电路的原理图。图中，Ｔｌ为检测开关管峰值电流的互感器，它将检测的开关管峰值电流信号比例缩小．滤波后送入ＵＣ２８４３的电流检测脚。此外，由于本电源的宽输入电压变化，需要占空比变化范围为１５％一９０％，

定稿日期：２０ｌｌ—０５—２３

作者筒介：熊才伟（１９跖一），男．安鬣金豢人，硕士研究生。研究方向为电力电子与电力传动。

５８

万方数据

电压Buck变换器设计

超宽范围输入电压Ｂｕｃｋ变换器设计

而峰值电流模式控制方式在占空比超过５０％时会引起环路不稳定，需通过ＶＱ：，Ｒ，进行斜坡补偿。经过改进后的电流模式控制方式很好地满足了电

源的要求。

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图ｌＢｕｃｋ主电路、控制及驱动电路

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２．２驱动回路、保护电路的设计

根据Ｂｕｃｋ电路的特点。其功率管门极在导通后参考地的电压为电源电压．所以需要对驱动电路进行处理。通常采用变压器隔离方式进行驱动。但该方式不适合此处占空比变化范围过宽的场合。如图１所示．采用半桥自举驱动集成电路ＩＲ２ｌｌＯ，利用其上桥臂的输出，驱动电流±２Ａ。自举电压可达到５００Ｖ．不仅较好地解决了悬浮驱动的问题．而且可靠性高，成本低廉。

此电源安装在风力发电机上．在变桨频繁启停及负载突变过程中，要求电源模块安全工作，可靠性高，不能损坏。除常规的过温保护、输入过，欠压保护、输入反接保护（ＶＤ，）及输入／输出瞬态电

压防护（ＶＤ，，ＶＤ４）外，另加入打嗝式保护电路，使

其可承受长时间短路状态．且当短路消失后自动

恢复工作。

由于存在峰值电流内环。电源本身具有限流

及短路保护的作用。当负载短路时．流过开关管的

电流迅速增大。经过电流互感器采样后，超过设定值时，ＵＣ２８４２封锁脉冲输出。等待下一个周期时再次输出脉冲。但在长时间短路时，每个周期都有较大的峰值电流脉冲经过开关管，开关管损耗大。易引起雪崩效应导致开关管损坏．故此处利用比万方数据

生器，输出低电平时，ＵＣ２８４３的ＣＯＭＰ脚拉低，电源关闭输出。输出高电平时，电源正常输出。输出

低电平的时间可由Ｒ，，尺１２＇尺。，，Ｒ，．，ｃ４进行确定。

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图２电源短路打嗝保护电路

３输入、输出单元设计

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３．１输出电感及电容的选取

输出滤波元件不仅决定了电源的稳定性．同时也是ＤＣ，ＤＣ变换器设计中关键部分。输出电感Ｌ作为储能和滤除纹波的元件需综合考虑体积、电流脉动大小来选择，并防止饱和，其表达式为：

￡＝（％一玑）列出

（１）

式中：玩为输入电压；讥为输出电压；Ｌ为导通时间；击

为电流脉动量。

滤波电容的选择需满足输出纹波的要求。对于给定的电感电流纹波。在５００ｋＨｚ以下。输出纹波由输出滤波电容及其等效串联电阻（ＥＳＲ）确定。通常情况下．输出电压纹波主要由交流纹波电流与电容ＥＳＲ的乘积决定。电感确定后即可得出纹波电流，再根据所需的纹波大小选择电容，应选择高频低阻的电解电容或低ＥＳＲ贴片陶瓷电容。３．２输入滤波器的选取

除电容的耐压值要大于电源电容最大输入电压外．输入电容的选择还需要满足所需的纹波电流，故纹波电流可通过下式进行计算得到：Ｊ『乙（。）＝，ｏｆ。）、／Ｄ（１一Ｄ）（２）

式中：ｋ（。）为输入电容纹波电流有效值；，ｏ（。）为输出最大

电流；Ｄ为占空比。

由上式可知，最大纹波电流发生在Ｄ＝Ｏ．５时。此时纹波电流为输出电流的ｌ，２。于是可根据此值选择电容。可根据体积要求选择电解电容、薄膜电

容或是陶瓷电容Ｉ舢。

为减少Ｂｕｃｋ变换器的输入电流纹波。从而减少对蓄电池的其他负载的影响。这里在输入电容前加入一个约为几微亨的小电感。

３．３启动及供电回路设计

为了减少体积和提高可靠性。此处电源采用恒流源启动及利用输出进行自供电，如图３所示。ＶＱＩ，ＶＤＩ，ＶＤ３，ＶＤ４，ＶＤ６，尺３，尺４构成恒流源。在电

５９

较器设计打嗝保护电路，如图２所示。图中电路检

测输出电压．当小于额定值的ｌ／１０时，即认为电路发生短路。然后由可变门限的比较器构成脉冲发

电压Buck变换器设计

第４５卷第９期２０１１年９月

电力电子技术

ＰｂｗｅｒＥｌｅｃｔｍＩｌｉｃｓ

Ｖ０１．４５。Ｎｏ．９ｓｅＰｔｅｍｂｅｒ２０ｌｌ

源启动及短路条件下．由恒流源供辅助电。当电源正常时，由输出２４Ｖ经降压后供电，同时切断恒流源回路，减少损耗。

障时间大于１０５ｈ，且该电路形式简单，可靠性高，已在风力发电中的关键场合代替国外电源模块。

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（８）当输入为１６０Ｖ时

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（ｂ）当输入为２８Ｖ时

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图４开关管电压实验波形

４实验结果及结论

按上述分析设计样机，开关频率为１２０

ｋＨｚ．

参考文献

【１】夏泽中，李远正，陶小鹏 峰值电流模式斜坡补偿电路

董竺．罂４髦：７：．黧乏．登它．Ｍ？：竺三型篓嘲薯翥窑主羿冀嚣嚣篙盔娶强，郑俊流二极管，输出滤波电感为５０ｐＨ。在额定负载

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时，测得开关管驱动电压％及漏源极电压地波形如图４所示。其中，纹波最大值为７０ｍＶ，整机效率在满载、全输入电压范围内最低为８９％，最高为９３％，在一４０～＋５５℃皆可正常工作，平均无故（上接第２０页）情况下波动约为１Ｖ；图５ｂ为输出电压的谐波分析，电压不平衡度控制在５％内，％ｍ＜ｌ。

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【４】

Ａｐｐｌｉｃ舶ｎＮｏｔｅ【ｓ】．１９９９：３一１０６．

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稳压环节，以提高超级电容器的容量利用率。针对分裂电容式逆变器结构中直流母线电容中点电压波动和不易控制的问题。采用两组双向ＤＣ／ＤＣ变换器串联控制逆变器直流母线电压的结构．引入带重复控制的双闭环控制方法．有效解决了超级电容器储能逆变器带大功率不平衡和非线性负载时输出畸变问题。实验结果表明所采用的超级电

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图５带不平衡负载时的实验波形

图６示出带非线性负载时实验波形。其中非线性负载为整流桥后端接阻性负载和３．３— 谭电解电容，负载总功率３５．５ｋｗ。可见，各次谐波得

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【３】Ｉ【ｙＩｌＩＩｇ—Ｈｗ蚰－汹，Ｎ锄如ＰａｒＩ【，Ｄ０唱，ｓｅｏｋ

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（ａ）带非线性负载时电压波形

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【４】白丹，蔡志开，彭力，等．三相逆变电源不平衡负

载研究【Ｊ】．电力系统自动化，２００４。船（９）：５３—５７．【５】

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万方数据

电压Buck变换器设计

超宽范围输人电压Buck变换器设计

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

熊才伟， 朱永亮， XIONG Cai-wei， ZHU Yong-liang中国电子科技集团公司第14研究所,江苏南京,210039电力电子技术

Power Electronics2011,45(9)

参考文献(4条)

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本文链接：/Periodical_dldzjs201109021.aspx

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/i29m.html