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      基于數(shù)字DSP 的5G 通訊電源LLC 變換主回路參數(shù)的設(shè)計

      2023-10-14 02:53:44楊云霞
      科學技術(shù)創(chuàng)新 2023年23期
      關(guān)鍵詞:全橋導通二極管

      楊云霞

      (合肥經(jīng)濟技術(shù)職業(yè)學院,安徽 合肥)

      引言

      本研究所設(shè)計的5G 基站用的通訊電源模塊,3 KW 功率,輸入220 V,可以給基站電池組(包含各種鋰電池和鉛酸電池)進行充電,同時可以為基站提供電力供應(yīng)。輸出接72 V 電池,充電電流最大40 A,可以進行N+1 冗余設(shè)計和使用。在任意一個模塊停止的情況下,不會出現(xiàn)基站停機的現(xiàn)象,保障通訊良好。由于為基站通訊做保障,整機效率不低于94%。電源紋波低于100 mVP-P(峰-峰值)[1]。

      1 整體回路的設(shè)計

      在設(shè)計本電源之前,我們對以下幾種拓撲結(jié)構(gòu)進行了比較和分析:

      (1) 全橋移相電路。移相全橋電路實際測量效率值如表1 所示,根據(jù)測量結(jié)果得知,不滿足本次設(shè)計中關(guān)于效率部分的要求[2]。

      表1 全橋移相電路效率值

      (2) LLC 全橋電路。LLC 全橋電路如圖1 所示。

      圖1 LLC 全橋結(jié)構(gòu)電路

      (3) LLC 半橋電路。LLC 半橋電路如圖2 所示。

      圖2 LLC 半橋結(jié)構(gòu)電路

      圖3 LLC 諧振電路幅頻特性

      (4) 全橋半橋方案對比效果如表2 所示。

      表2 全橋半橋方案對比效果

      表3 變壓器方案對比效果

      從方案對比中可以看出,全橋LLC 電路在輸出瞬間開路空載的情況下,不具備自鉗位功能。即在滿載時,如果出現(xiàn)負載突然斷開的極端情況,那么在諧振狀態(tài)下的主回路會輸出一個非常高的Q 倍電壓,設(shè)備就會變得非常危險。而半橋LLC 電路具備自鉗位功能,不容易引起災(zāi)害。因此,本項目采用半橋LLC 電路作為主拓撲實現(xiàn)設(shè)計目標。諧振點設(shè)定在100 KHz。

      2 主回路中電容的容值計算

      主諧振回路中的電容具有隔離直流的作用,因此在LLC 電路中,主變壓器和電感器中不存在由于直流電流產(chǎn)生的磁偏現(xiàn)象,所以設(shè)計中占空比可以按最大設(shè)計而無需補償。這是一個非常重要的參數(shù),回路中頻率參數(shù)L 和C 決定了諧振頻率和功率。半橋電路中電壓是母線400 V 電壓的1/2,即200 V,因此需要確定諧振主回路中C 的最小參數(shù)。先以最簡化方式進行計算,不考慮系統(tǒng)死區(qū)時間,不考慮實際功率余量[3]。在諧振狀態(tài)時,諧振槽路的最小電容值:

      在實際選取電容參數(shù)時,考慮到死區(qū)時間500 nS,同時來自PFC 電路的輸入電壓取值在380 V~400 V 之間,最低值按直流380 V 考慮,且考慮拓撲結(jié)構(gòu)的功率余量,最大設(shè)計承受能力大于3.6 KW,故使用了兩個0.15 uF/630 V 的高精度CBB-MKP 電容并聯(lián),總?cè)萘繛?.3 uF,并且使用了散熱效果最好的扁平封裝產(chǎn)品。

      3 主回路中電感的計算設(shè)計

      (1) 主回路諧振電感的計算

      在進行諧振電感的計算前,LLC 電路諧振電感有兩種方式:

      (2) 主回路諧振的電感設(shè)計

      ①磁性材料:選取了PC40 材質(zhì)的PQ4040 鐵氧體作為載體。該材質(zhì)在非飽和狀態(tài)下感值穩(wěn)定不變化,工作在非飽和狀態(tài),散熱良好即可[4]。

      ②漆包線選材:由于電感峰值電流接近32 A,平均電流16 A,而且工作頻率F=100 KHz 很高,集膚效應(yīng)嚴重,故采用0.1×250 的高頻漆包線雙線并繞,并且,銅線裸露,方便散熱。

      ③圈數(shù),感值和氣隙:這三個參數(shù)互相影響,相互約束。在綜合考慮這幾個因素前提下,結(jié)合以往經(jīng)驗,圈數(shù)選取9 圈,感值11 uH,氣隙經(jīng)過研磨,大約在0.46 mm。滿足了系統(tǒng)對這幾項參數(shù)的要求。

      4 主回路中變壓器的設(shè)計

      在LLC 電路中,變壓器傳輸功率大,傳輸頻率非常高,磁能交換的同時還要保證實現(xiàn)MOS 管的軟開關(guān)狀態(tài)。

      (1) LLC 工作狀態(tài)

      LLC 工作示意如圖4 所示。由于半橋電路上下兩路控制對稱且相同,故只分析一半的工作狀態(tài),另外一半相同,不再贅述。

      圖4 LLC 工作示意

      狀態(tài)1:開關(guān)管Q1 導通,電流通過Q1 流過Cr,Ls 和Lp,電容Cr 充電,電感Ls和Lp 充磁,形成諧振波形正半周。

      狀態(tài)2:開關(guān)管Q1 關(guān)斷,Cr、Ls 和Lp 形成諧振電流,Q2 的體二極管被打開,Q2 導通。Q2 實現(xiàn)ZVS 軟開關(guān)。

      狀態(tài)3:開關(guān)管Q2 導通,Cr、Ls 和Lp 形成諧振電流負半周。

      狀態(tài)4:開關(guān)管Q2 控制信號關(guān)斷,進入死區(qū)時間,但是由于Q2 體二極管并沒有關(guān)斷,其關(guān)斷時間由Trr 實現(xiàn),所以,Q2 還是導通的。此時Cr、Ls 和Lp 形成諧振電流還是負半周,形成的弱小電流將Q2 體二極管關(guān)閉。

      狀態(tài)5:開關(guān)管Q2 體二極管關(guān)閉后,還需要一點很弱小的電流繼續(xù)由諧振回路回流到開關(guān)管,由于Q2 已經(jīng)徹底關(guān)閉,這個很小的電流會使開關(guān)管Q1 體二極管被打開,在沒有驅(qū)動的情況下導通。Q1 實現(xiàn)ZVS 軟開關(guān)。

      (2) 變壓器參數(shù)的設(shè)計

      從上面的分析看出,每個周期,變壓器要傳輸功率,變壓器必須工作在線性范圍內(nèi),在磁場中就必須有一個磁化電流,同時還要與諧振電感和諧振電容形成諧振電流,這個諧振電流不但需要在死區(qū)時間去關(guān)斷已經(jīng)開通的MOS 管,還要在諧振結(jié)束前,打開另外一個MOS 管,用來形成ZVS(Z 零V 電壓S 開通)。

      ①K 取值,電感值:根據(jù)以上分析,LLC 電路MOS管在死區(qū)電流接近過零時,體二極管是反向?qū)ǖ摹K?,在諧振回路中,即便是正常工作情況下,需要一個比較大的磁化電流。于是LLC 變壓器的自身電感相比于其他電源拓撲結(jié)構(gòu)中的自感小很多。K(變壓器自感與諧振電感比值)一般取4~7,本次設(shè)計為了盡量提高效率,采用K=7~8,即自感為84 uH±2 uH。

      ②圈數(shù):本設(shè)計目標是72 V 的輸出電壓。母線電按380 V 計算,則380×10/12/2/2×0.95=75。

      采用雙變壓器,原邊串聯(lián)自感為42 uH±1 uH 副邊并聯(lián),確定變比應(yīng)該在12:11 或者12:10,于是做了兩組變壓器,最終確定12:11 表現(xiàn)更好,輸出額定電壓74 V剛好滿足了設(shè)備需要。

      5 主回路中MOS 管和驅(qū)動電路的選型及注意事項

      LLC 電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于工作頻率非常高、效率非常高,但也帶來相應(yīng)的設(shè)計問題。本次設(shè)計的諧振點頻率F=100 KHz,單個LLC 組件功率在3 KW 以上,相對比較大。由于是半橋結(jié)構(gòu),傳輸電壓200 V,平均電流達到16 A,峰值電流1.7×16=27 A,變壓器為了能夠工作在諧振狀態(tài),需要一個比較大的磁化電流,預(yù)估能達到1 A,實際峰值電流接近30 A,這就要求必須使用大功率的MOS 管以及配套性能足夠好的大功率驅(qū)動電路。由于LLC 工作過程中存在體二極管導通并參與諧振,電流在體二級管中存在反向流動的特性,不但要考慮MOS管自身的一些問題,同時體二級管參數(shù)也變得非常重要。由此,合理地選擇MOS 管和驅(qū)動電路非常重要。

      (1) 頻率問題

      本次設(shè)計的LLC 電路工作在F>F0 的區(qū)間,最高頻率設(shè)置在350 KHz,250 KHz 以上斷續(xù)打嗝方式輸出。在100 KHz 時,周期為10 uS,半個周期為5 uS。所以,MOS 管必須能夠以相當快的速度開通和關(guān)斷。普通的低速MOS 已經(jīng)無法達到這樣的工作頻率,而MOS 管的驅(qū)動電路用高頻驅(qū)動管子,驅(qū)動電流一定要足,速度要快。

      (2) 死區(qū)時間

      在LLC 電路中,由于開通時間非常短,而死區(qū)中出現(xiàn)多次換流現(xiàn)象,死區(qū)時間中,諧振電流要消耗掉已經(jīng)開通的MOS 管中的體二級管的載流子。

      本次設(shè)計采用了TI 公司專門為高速MOS 設(shè)計的驅(qū)動芯片UCC27424,其單路驅(qū)動能力達到4 A,納秒級的開關(guān)速度,并聯(lián)使用,可以加倍驅(qū)動電流,完全滿足了高速、高功率的驅(qū)動要求[5]。

      6 整流回路中的參數(shù)選擇: 同步整流或者二極管整流

      輸出電壓額定值為72 V 但是實際充電電壓最高可以達到83 V,同步整流所采用的MOS 管應(yīng)當為耐壓600 V 的管子,以47N60C3 為例,導通電阻0.07 歐,導通壓降0.07×40=2.8 V,導通電壓高于二極管整流,產(chǎn)生的熱損耗高于二極管整流。故采用APT60DQ60 作為輸出整流二級管。其主要的特性如下:

      足夠快的關(guān)斷時間,在主回路死區(qū)時間內(nèi),完成自動反向關(guān)斷。

      低導通電壓,開通后發(fā)熱量小,效率高,并且有足夠的輸出電流余量。

      結(jié)束語

      為能夠?qū)⒏邏航涣麟姽β兽D(zhuǎn)換成可變電流和可變電壓的直流電功率,本研究采用APFC 和LLC 電路實現(xiàn)功率和隔離的轉(zhuǎn)換下,降低了損耗,具有廣泛的應(yīng)用前景。

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