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    軍用混合集成DC/DC變換器

    2006-01-24 電子產品世界

    1引言     
          隨著航天航空等電子工程系統小型化技術的發展,整機電源供電系統開始采用由混合集成DC/DC電源變換器構成的分布式供電設計方案,取代傳統的由分立元器件組成的電源集中供電方式。軍用混合集成DC/DC電源變換器以其體積小、重量輕、功率密度高、效率高、可靠性高等特點,被廣泛用于軍事電子控制系統。雙路輸出是DC/DC電源變換器常有的輸出形式,通常,其輸出有主副路之分,對雙路輸出的每路1有一定的要求,諸如雙路輸出負載平衡或副路加載時主路不能空載等要求,即存在所謂的交叉調整率問題,使雙路輸出DC/DC變換器的使用受到限制。而在一些特定的場合,要求DC/DC變換器雙路輸出沒有主副路之分,相互獨立輸出。本文主要介紹低紋波雙路輸出DC/DC電源變換器的設計思想、實現方法及研究結果。  
          2方案設計    
          根據雙路獨立輸出的特殊要求,經過對雙路輸出DC/DC變換器拓撲進行深入分析研究,確定實現雙路獨立輸出DC/DC變換器的電路方案。實現雙路輸出DC/DC變換器有以下4種電路方案,它們的電原理框圖分別如圖1、圖2、圖3、圖4所示。 
          方案1是1路輸出采用反饋實現穩壓,另1路采用后穩壓的電路拓撲結構;方案2是兩路輸出均采用后穩壓的電路拓撲結構;方案3是兩路輸出的差值采樣,經光耦隔離反饋,實現兩路輸出穩壓的電路拓撲結構;方案4是兩路輸出的差值采樣,經變壓器隔離反饋,實現兩路輸出穩壓的電路拓撲結構。  
          這4種方案的高頻變壓器輸入側部分電路形式基本相同,所不同的是輸出反饋方式和路徑。表1為4種方案的特點對比,從中可知方案2具有雙路獨立輸出、交叉調整率為零的特點。 
          3電路設計  
          3.1方案2的設計特點    
          方案2采用UC1825A雙端輸出PWM控制電路,功率開關采用雙端推挽結構,輸入濾波采用π型濾波器,啟動電路采用串聯線性穩壓電路向UC1825A供電。在高頻變壓器輸入側把高頻變壓器的1路輸出繞組整流濾波作為輔助電源,切換啟動電路向UC1825A供電,輔助電源同時作為預穩壓電路反饋到UC1825A控制電路的誤差電壓控制端,控制UC1825A的輸出脈沖寬度,構成UC1825A、功率開關、高頻變壓器、輔助電源及預穩壓電路的閉環控制回路,實現輔助電源的穩壓控制,從而實現輸入電壓Vi變化時正負雙路輸出的預穩壓控制。正負兩路輸出均采用全波整流、兩級LC濾波,并分別采用1個串聯線性穩壓器,實現負載變化時低紋波輸出電壓的穩壓控制。    
          方案2是自主設計開發的,國內外目前尚未見到此種DC/DC變換器設計方案的報道。     
          3.2 控制回路設計 
          在高頻變壓器輸入側增設1個次級繞組,該次級繞組電壓經整流濾波后,取樣反饋到UC1825A控制電路誤差放大器的反相輸入端,構成閉環控制回路,使輸入電壓變化時該次級繞組電壓穩定不變。    
          閉環控制回路的穩定性是整個DC/DC變換器系統正常工作必不可少的條件。由于存在濾波電感、電容相移環節,經過取樣、放大、比較、脈寬調制后,就會在某個頻率上滿足回路增益A>1、正反饋的條件,造成閉環回路的不穩定。因此必須加入適當的校正環節,使閉環回路穩定工作。圖5為在誤差放大器的輸入端加入校正網絡,在誤差放大器輸入、輸出之間加入校正網絡構成比例積分有源校正電路的等效閉環回路。 
          圖6為閉環回路的幅頻、相頻特性示意圖。由此圖可知,在低頻段,環路增益較高,有利于降低穩態誤差,在高頻段,環路增益降低,回路有充分的相位余量,有利于閉環回路穩定工作。閉環回路的相位余量為100°,因此閉環回路工作是非常穩定的。     
          3.3 低輸出紋波電壓設計 
          選用肖特基整流管,減小整流管反向恢復時間造成的輸出紋波電壓尖峰;優化功率變壓器結構設計,減小變壓器初級漏感;采用合適的RC吸收網絡,減小功率開關管的電壓尖峰;采用兩級LC濾波技術,合理選用輸出濾波電感器、電容器,達到降低輸出紋波電壓的目的,使輸出紋波電壓典型值為10mV(峰峰值)。  
          3.4高轉換效率設計    
          轉換效率是混合集成DC/DC電源變換器長期高可靠工作的重要指標。在電路設計中,提高轉換效率、減少熱源熱量的產生尤為重要。經合理設計開關頻率,合理選用功率開關器件和整流二級管,精心設計功率開關器件的驅動脈沖上升沿時間,精心設計高頻變壓器的各繞組匝數和線徑,采用電流互感器檢測電流反饋信號實現過流保護,使轉換效率達85%以上。    
          在大功率DC/DC電源模塊中,采用電流互感器檢測輸入側電流反饋信號實現過流保護,可減小電流檢測電路的損耗,提高效率。圖7為電流互感器檢測電流反饋信號的電原理圖。 
          4可靠性設計    
          采用降額設計技術,對VDMOS功率開關管、肖特基整流管、功率變壓器等電應力和熱應力較大的元器件進行降額設計。    
          VDMOS功率開關管的降額設計主要是對VDMOS功率開關管的源漏導通電流IDS、源漏擊穿電壓BVDS進行降額設計,應符合I級降額設計要求。    
          肖特基整流管的降額設計主要是對肖特基整流管正向平均電源ID、反向電壓BVR進行降額設計,應符合I級降額設計要求。    
          功率變壓器的降額設計主要是對功率變壓器在常溫、高溫(125℃)時的最高工作磁通密度Bm進行降額設計,應符合I級降額設計要求。    
          采用分片式版圖設計,大面積采用厚膜Al2O3陶瓷基板,局部用高導熱率的BeO陶瓷作為主要熱源器件VDMOS開關功率管IRFC230和肖特基整流二極管8TQ100的基板,將主變壓器PC40P18/11Z和輸出濾波電感器PC40P18/11A250直接粘結在金屬底座上,并使以上熱源元器件均勻地分布在管座四周邊緣,減少對非熱源元器件的影響,保證熱分布均勻,熱梯度小,避免熱量集中、出現局部過熱點,以利于電路內部向外界散熱。    
          在電路設計中,增加輸出過流保護設計,提高電路的可靠性。   
          在電路設計中提高轉換效率、減少功耗、減少熱源熱量的產生,減少電路內部溫升,提高電路的可靠性。在工藝制作中采用導熱性能好的冷軋鋼金屬管殼,采用厚膜Al2O3陶瓷基板、BeO陶瓷基板,采用再流焊、燒結低熱阻工藝技術,降低各級熱阻,減少電路內部溫升,提高電路的可靠性。   
         采用再流焊工藝將輸入濾波陶瓷電容器和輸出濾波鉭電容器等體積較大的元件粘貼在Al2O3基板上,并用環氧樹脂對這些體積較大的元件進行加固處理,增強電路的抗機械沖擊性能。    
         采用干燥氮氣保護下的無應力平行封焊管殼封裝工藝,水汽等殘余氣體含量極少,封裝氣密性好,避免封裝對Al2O3、BeO陶瓷基板造成的機械應力,避免產生多余物,保證可靠性指標要求。  
         5研究結果    
         根據以上設計思想,設計實現了雙路獨立輸出±15V/1.5A(45W)混合集成DC/DC變換器HB2815D45。該產品通過了環境溫度+85℃高溫滿載功率老化、變頻振動(加電監測)等質量一致性檢驗考核,其性能指標及質量等級達到軍用G類DC/DC電源變換器水平,在設計定型時被一致認為“達到國際先進水平”。表2為HB2815D45與Interpoint公司生產的MTW2815D的性能對照表。 




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