1、电动汽车DCDC变换器的设计毕业作品BI YE SHE JI（20 届）电动汽车DC/DC变换器的设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要电动汽车DC/ DC变换器是现代电力电子设备不可或缺的组成部分，其质量的优劣直接影响子设备性能，其体积的大小也直接影响到电子设备整体的体积。本设计根据设计任务进行了方案设计，设计了相应的硬件电路，研制了半桥开关电源。整个系统包括主电路、控制电路和反馈电路三部分内容。系统主电路包括单相输入整流、半桥式逆变、高频交流输出、输出整流、输出滤波几部分。控制电路包括主电路开关管控制脉冲的产生和保护电路。论文具体地介绍了主
2、电路、控制电路、驱动电路等各部分的设计及实验过程，包括元器件的选取以及参数计算。本设计中采用的芯片主要是PWM控制芯片SG3525A。设计过程中程充分利用了SG3525A的控制性能，具有宽的可调工作频率，死区时间可调，具有输入欠电压锁定功能和双路输出电流。关键词：直流变换器；SG3525；高频变压器；MOSFETAbstractElectric vehicle DC/ DC converter is a modern power electronic equipment indispensable component, its quality has a direct influence on
3、 equipment performance, its size will directly affect the whole volume of electronic equipment. According to the design of design tasks for the design, designs the corresponding hardware circuit, a half-bridge switching power supply development. The whole system consists of main circuit, control cir
4、cuit and feedback circuit three parts. System main circuit comprises a single-phase input rectifier, half-bridge inverter, high frequency AC output, output rectifier, output filter sections. The control circuit comprises a main circuit switch tube to control the pulse generation and protection circu
5、it. This paper introduces the main circuit, control circuit, driving circuit and other parts of the design and the experimental process, including the selection of components and parameters calculation. The design of the chip is mainly PWM control chip SG3525A. The design process of medium-range mak
6、es full use of SG3525A control performance, wide adjustable frequency, adjustable dead time, with input under-voltage locking function and dual output current.Key words: DC / DC converter; SG3525; high-frequency transformer; MOSFET摘 要 IAbstract II目 录 III第一章 绪 论 11.1课题选择的背景及意义 11.2电动汽车DC/DC变换器的发展概况 2
7、1.3本文所研究的课题内容 3第二章 电动汽车DC/DC变换器的原理 42.1电动汽车DC/DC变换器控制系统概述 42.2电动汽车DC/DC变换器的基本结构 42.3 MOSFET基本原理 52.4 PWM调制技术 62.5高频变压器的原理介绍 7第三章 电动汽车DC/DC变换器主电路的设计 93.1 半桥电路的结构与工作过程 93.2 主要功率器件的选型 123.2.1 MOSFET参数的确定 123.2.2 自举电容的选取 133.3高频变压器设计 143.4 输出整流回路的设计 163.4.1 输出整流回路的结构 163.4.2 快恢复二极管的选择 163.4.3 滤波电感的选择 18
8、3.4.4 滤波电容的选择 18第四章.DC-DC变换器控制电路的设计 204.1 PWM控制芯片SG3525功能简介 204.1.1 SG3525引脚功能及特点简介 204.1.2 SG3525的工作原理 234.2电动汽车DC/DC变换器反馈电路的设计 274.2.1 输出电压反馈电路 274.2.2 过压保护电路的设计 284.2.3 输出限流电路 29总 结 31参考文献 33致谢 34第一章 绪论1.1课题选择的背景及意义DCDC变换器是燃料电池电动汽车的重要组成部分，它的研制直接关系到燃料电池电动汽车的稳定与性能。研制大功率DCDC变换器涉及到现代电力电子、电磁兼容、微电子及自动控
9、制等多个技术领域，是确保燃料电池汽车能够在性能上与传统汽车抗衡的关键部分之一。因此，开发和研制大功率DCDC变换器其有较为重大的科学意义和社会意义：(1)解决能源危机，改善环境。(2)提高我国大功率DCDC变换器理论和产品的研发水平。使我国在大功率DCDC变换器技术方面迅速赶上国际先进水平，填补我国在这一领域的空白。(3)DCDC变换器是一个高阶，多变量，强耦合的非线性系统，对其进行稳定研究是一项很艰巨的任务。本课题就是如何设计一个科学、合理的控制器，从而可以改善系统的性能，并提高控制系统工作的稳定性、可靠性和安全性。(4)促进燃料电池电动汽车的发展。(5)大功率DCDC变换器还可应用在燃料电
10、池移动电源，城市轨道交通等诸多领域，促进燃料电池技术走向产业化，市场前景广阔。(6)参与国际竞争，抢占同际市场。动车起源于十九世纪中后期的欧洲，从1873年英国人首次在马车基础上制造出一辆电动三轮车开始，到二十世纪初期，电动车经历了一个较为快速的发展阶段。1900年美国电动车占其汽车产量的37.5%，比燃油汽车的223%多。进入二十世纪，由于大量发现油田，石油开采提炼和内燃机技术的迅速进步，电动车则由于电池技术进步缓慢，在性能、价格等方面都难以与燃油汽车竞争而逐步被燃油汽车所取代。到1920年以后，在美国公路上已看不到电动车了。上个世纪七十年代以来几次石油危机唤起了人们对有限石油资源的关注，目
11、前世界石油资源日趋紧张，石油价格始终居高不下。同时，80年代以来，随着全球经济的稳步发展，汽车的产量和保有量急剧增加。这些燃油汽车所排放的废气造成空气质量日趋恶化。引起了世界各国，尤其是发达国家的普遍关注，自90年代起，以美欧为主的一些西方国家开始制订并逐步执行严厉的汽车尾气排放标准。低能耗、无污染的绿色汽车开始成为人们关注的热点，电动车又重新受到重视。各国政府和各大汽车企业都正在加紧开发低排放、低油耗的清洁汽车。各种新材料和新技术在电动车上不断被开发应用，电动车进入了新的发展阶段。1.2电动汽车DC/DC变换器的发展概况直流-直流变换器（DC/DC）变换器广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办
12、公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业。按额定功率的大小来划分，DC/DC可分为750W以上、750W1W和1W以下3大类。进入20世纪90年代，DC/DC变换器在低功率范围内的增长率大幅度提高，其中6W25WDC/DC变换器的增长率最高，这是因为它们大量用于直流测量和测试设备、计算机显示系统、计算机和军事通讯系统。由于微处理器的高速化，DC/DC变换器由低功率向中功率方向发展是必然的趋势，所以251W750W的DC/DC变换器的增长率也是较快的，这主要是它用于服务性的医疗和实验设备、工业控制设备、远程通讯设备、多路通信及发送设备，DC/DC变换器在远程和数字通
13、讯领域有着广阔的应用前景。 DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制具有加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约2030的电能。直流斩波器不仅能起到调压的作用(开关电源),同时还能起到有效抑制电网侧谐波电流噪声的作用。 DC/DC变换器现已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为0.31W/cm31.22W/cm3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构。目前，已有一些公
14、司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。 电子产业的迅速发展极大地推动了开关电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代电子设备供电系统的主流。在电子设备领域中,通常将整流器称为一次电源,而将DC/DC变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前，在电子设备中用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT实现高频工作,开关频率一般控制在50kHz100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大
15、,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。 因为电子设备中所用的集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在电子供电系统中，采用高功率密度的高频DC/DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,可以大大减小损耗、方便维护,且安装和增容非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因为电子设备容量的不断增加,其电源容量也将不断增加。 高性能化主要包括高电压、大容量、降低导通电压低损耗、高速度和高可靠性等4个方面。如IGBT的电流可达2kA3kA、电压达到4kV6kV，降低损耗是所有复合器件的
16、发展目标。预计在21世纪IGBT、智能化功率模块（IPM）等器件的导通电压可降到1V以下，而MOSFET、IBGT、MCT等器件的应用频率将达到兆赫数量级。1.3本文所研究的课题内容电动汽车在中国面临着难得的发展机遇，国家和地方政府层面初步形成的策略框架式电动汽车蚕业发展的重要基础，快速增长的汽车市场保障了电动汽车未来的市场前景，而国内的汽车和零件部企业技术的不断成熟也使电动汽车未来实现产业化成为了可能。电动汽车的动力电车有64V、72V、96V、144V、240V、336V等，而电动汽车信号、灯光、雨刮器、电动车窗等用电设备仍为12V。电动汽车DC/DC变换器把电动汽车蓄电池组的高电压经过变
17、换为电动汽车12V电源。第二章 电动汽车DC/DC变换器的原理2.1电动汽车DC/DC变换器控制系统概述 直流-直流变换器是构建许多其它类型电能变换器的基本组成部分。然而为了有效实现各种电能变换功能，并使系统安全、平安地运行，直流-直流变换器必须与其他功能模块相互配合，组成一个控制系统，共同完成电能的变换和调节，这种直流-直流变换器控制系统也称为开关调压系统。 一个典型的直流直流变换器控制系统的结构所示。在负反馈回路中，输出电压v(t)经采样后与给定的参考电压V相比较，所得偏差送补偿放大环节，在经过脉冲宽度调制，得到一系列控制用的脉冲序列，通过驱动器将脉冲放大。控制输入d(t)代表开关器件在一
18、个周期内的导通占空比，是脉冲序列的参数，改变d(t)即可调节变换器的输出电压v(t)，d(t)也成控制量，通过负反馈回路可以调节DC/DC变换器中开关器件在一个周期内的导通时间。此外，为了提高系统的工作性能，拨正输出波形的质量，是系统安全运行，通常在一个完整直流-直流变换器控制系统中还应包括滤波、保护、缓冲等辅助环节，可以参考有关文献。2.2电动汽车DC/DC变换器的基本结构电动汽车DC/DC变换器的电路图比较复杂，其基本的结构框图如图所示。图2-1变换器结构框图主要包括以下几个部分：1输入滤波器；2逆变电路；3电力MOSFET和高频变压器（T）；3控制电路（PWM变换器），4输出整流滤波器；
19、5反馈电路。6除此之外，还需要增加偏置电路、保护电路等。首先蓄电池先经过滤波，通过逆变电路变为交流，经高频变压器降压后，再整流滤波变为可利用的稳定直流电压，再通过PWM控制电路作为反馈调节，再上加偏置电路、保护电路。2.3MOSFET基本原理功率场效应管(Power MOSFET)也叫电力场效应晶体管，是一种单极型的电压控制器件，不但有自关断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点。由于其易于驱动和开关频率可高达500kHz，特别适于高频化电力电子装置，如应用于DC/DC变换、开关电源、便携式电子设备、航空航天以及汽车等电子电器设备中。但因为其电流、热容量小，耐压低，
20、一般只适用于小功率电力电子装置。 一、电力场效应管的结构和工作原理电力场效应晶体管种类和结构有许多种，按导电沟道可分为P沟道和N沟道，同时又有耗尽型和增强型之分。在电力电子装置中，主要应用N沟道增强型。电力场效应晶体管导电机理与小功率绝缘栅MOS管相同，但结构有很大区别。小功率绝缘栅MOS管是一次扩散形成的器件，导电沟道平行于芯片表面，横向导电。电力场效应晶体管大多采用垂直导电结构，提高了器件的耐电压和耐电流的能力。按垂直导电结构的不同，又可分为2种：V形槽VVMOSFET和双扩散VDMOSFET。电力场效应晶体管采用多单元集成结构，一个器件由成千上万个小的MOSFET组成。N沟道增强型双扩散
21、电力场效应晶体管一个单元的部面图，如图2-2(a)所示。电气符号，如图2-2(b)所示。图2-2 MOSFET结构图电力场效应晶体管有3个端子：漏极D、源极S和栅极G。当漏极接电源正，源极接电源负时，栅极和源极之间电压为0，沟道不导电，管子处于截止。如果在栅极和源极之间加一正向电压UGS，并且使UGS大于或等于管子的开启电压UT，则管子开通，在漏、源极间流过电流ID。UGS超过UT越大，导电能力越强，漏极电流越大。MOSFET在感性负载下的开通过程。 阶段主要是Cos的充电过程，使VGS电压达到门槛电压； 阶段主要是CGS的充电过程，当VGS电压超过门槛电压后，漏极电流开迅上升； 阶段主要是C
22、GD的充电过程，CGD又称为密勒电容，由于VGD的电压很高，本阶段需要很大的驱动电流，才能降VGD电压拉下来； 阶段主要是CGS的充电过程，使VGS上升到最后的驱动电压，上升的VGS使漏源电阻Rds(on)减小，MOSFET进入导通状态。关断过程与开通过程的顺序相反，过程类似。2.4 PWM调制技术脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation)简称PWM，它是通过功率管开关作用将恒定直流电压转换成频率一定，宽度可调的方波脉冲电压，通过调节脉冲电压的宽度，改变输出电压的平均值的一种功率变换技术。PWM极数可以激起有效的进行谐波抑制，在频率、效率方面有着明显的优点，使逆变电路的性能与
23、可靠性得到了明显的提高。采用PWM方式构成的逆变器，器输入法是为固定不变的直流电压，可以通过PWM极数在同一逆变器中既实现调压又实现调频。由于这种逆变器，只有一个可控的功率级，简化了主电路和控制回路的结构，因而体积小、重量轻、可靠性高。又因为集调压、调频于一身，所以调节速度快、系统的动态相应好。此外，PWM技术还提高了逆变器对交流电网的功率因数。2.5高频变压器的原理介绍 高频电源变压器是工作频率超过中频(10khz)的电源变压器，主要用于高频开关电源中作高频开关电源变压器，也有用于高频逆变电源和高频逆变焊机中作高频逆变电源变压器的。按工作频率高低，可分为几个档次：10khz50khz、50k
24、hz100khz、100khz500khz、500khz1mhz、1mhz以上。传送功率比较大的，工作频率比较低;传送功率比较小的，工作频率比较高。这样，既有工作频率的差别，又有传送功率的差别，工作频率不同档次的电源变压器设计方法不一样，也应当是不言而喻的。高频电源变压器作为一种产品，自然带有商品的属性，因此高频电源变压器的设计原则和其他商品一样，是在具体使用条件下完成具体的功能中追求性能价格比最好。有时可能偏重性能和效率，有时可能偏重价格和成本。现在，轻、薄、短、小，成为高频电源的发展方向，是强调降低成本。其中成为一大难点的高频电源变压器，更需要在这方面下功夫。所以在高频电源变压器的“设计要
25、点”一文中，只谈性能，不谈成本，不能不说是一大缺憾，如果能认真考虑一下高频电源变压器的设计原则，追求更好的性能价格比，传送不到10va的单片开关电源高频变压器，应当设计出更轻、薄、短、小的方案来。不谈成本，市场的价值规律是无情的!许多性能好的产品，往往由于价格不能为市场接受而遭冷落和淘汰。往往一种新产品最后被成本否决。一些“节能不节钱”的产品为什么在市场上推广不开值得大家深思。电磁兼容性是指高频电源变压器既不产生对外界的电磁干扰，又能承受外界的电磁干扰。电磁干扰包括可闻的音频噪声和不可闻的高频噪声。高频电源变压器产生电磁干扰的主要原因之一是磁芯的磁致伸缩。磁致伸缩大的软磁材料，产生的电磁干扰大
26、。例如，锰锌软磁铁氧体，磁致伸缩系数s为2110-6，是取向硅钢的7倍以上，是高磁导坡莫合金和非晶合金的20倍以上，是微晶纳米晶合金的10倍以上。因此锰锌软磁铁氧体磁芯产生的电磁干扰大。高频电源变压器产生电磁干扰的主要原因还有磁芯之间的吸力和绕组导线之间的斥力。这些力的变化频率与高频电源变压器的工作频率一致。因此，工作频率为100khz左右的高频电源变压器，没有特殊原因是不会产生20khz以下音频噪声的。既然提出10w以下单片开关电源的音频噪声频率，约为10khz20khz，一定有其原因。由于没有画出噪声频谱图，具体原因说不清楚，但是由高频电源变压器本身产生的可能性不大，没有必要采用玻璃珠胶合
27、剂粘合磁芯。至于采用这种粘合工艺可将音频噪声降低5db，请给出实例与数据以及对噪声原因的详细说明，才会令人可信。屏蔽是防止电磁干扰，增加高频电源变压器电磁兼容性的好办法。但是为了阻止高频电源变压器的电磁干扰传播，在设计磁芯结构和设计绕组结构也应当采取相应的措施，只靠加外屏蔽带并不一定是最佳方案，因为它只能阻止辐射干扰，不能阻止传导干扰。第三章 电动汽车DC/DC变换器主电路的设计3.1半桥电路的结构与工作过程在半桥式逆变电路中，变压器一次侧的两端分别连接在电容C1,C2的中点和开关S1, S2中点。电容C1,C2的中点电压为。S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为的交流电压，改变开关的占
28、空比，就可以改变二次侧整流电压Ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。半桥式电路的结构如图3-1:具体的工作过程叙述如图3-2所示:（a） (c) (d)文字分析如下：S1导通时，二极管VD1处于通态如图（3-2）（a）示；S2导通时，二极管VD2处于通态如图（3-2）（c）示，当两个开关都关断时，变压器绕组W1中的电流为零，根据变压器的磁势平衡方程，绕组W2和W3中的电流大小相等，方向相反，所以VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流如图（3-2）（b）（d）示。S1或S2导通是电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降。S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。由于电容的隔
29、直作用，半桥型电路对由于两个开关管导通时间不对称而造成的变压器一次电压的直流分量具有自动平衡作用，因此该电路不容易发生变压器偏磁和直流磁饱和的问题，无须另加隔直电容。值得注意的是，在半桥电路中，占空比定义如公式（3-1）D= （3-1）图3-3半桥电路波形图S1、S2开通关断时间及其电压电流波形何对应的VD1、VD2波形如图（3-3，其中（a）（b）分别为S1和S2波形，（c）（d）分别为Us1和Us2波形，（e）（f）分别为Is1和Is2的波形，（g）（h）分别为Id1和Id2波形。t0到t1时段：S1导通S2截止，t1到t2时间S1和S2截止，t2到t3时段S1截止，S2导通。3.2 主要
30、功率器件的选型3.2.1 MOSFET参数的确定几种功率器件的优缺点如表3-1表3-1功率器件分析器件优点缺点GTR耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题GTO电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低MOSFET开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置IGBT开关速度高，开关损耗
31、小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小开关速度低于MOSFET,电压，电流容量不及GTO在高频的开关电源设计中用的功率器件种类有IGBT和MOSFET，但是考虑到工作在高频的IGBT成本较高，在本次设计选用MOSFET器件。（1） MOSFET额定电流Ice的选择MOSFET额定电流Ice的选择，要根据实际电路中最大额定电流Ie、负载类型、允许过载的程度等因数。在一般性电阻性负载的电压变换装置中，若实际电路中电流最大有效值为Ie，则要选MOSFET的Ice1.5Ie。本电路中Ice的选择为8A。（2）电压Vcer的选择考虑电网电压瞬间尖峰，电压波动，开关
32、电源引起电压尖峰等，一般如果稳态时候，加在MOSFET之间的电压最高为Vm，则可选择的耐压值Vcer2.5Vm。本电路中选择Vcer=500V。所以选择IR公司的IRF1010 NIRF1010 N沟道场效应管基本参数如下; TO-220封装; 击穿电压Vdss:55V;开启电压Vgs(th):2-4V; 跨导S Gfs: 69; 标称电流 ID: 75A; 标称功率PD: 150W ;3.2.2自举电容的选取MOSFET开通时，需要在极短的时间内向门极提供足够的栅电荷。假定在器件开通后，自举电容两端电压比器件充分导通所需要的电压（10V，高压侧锁定电压为8.7/8.3V）要高；再假定在自举电容充电路径上有1.5V
