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網(wǎng)友賀歲巨獻(xiàn)!自制5KW-DCDC前級升壓模塊

發(fā)布時間:2013-12-21 責(zé)任編輯:eliane

【導(dǎo)讀】網(wǎng)友近段時間設(shè)計了一臺48V-5KW前級升壓模塊,單個變壓器功率平均在1000W左右,變壓器采用初級并聯(lián),次級串聯(lián)的方式,次級串聯(lián)CBB的方式,利用變壓器本身的漏感做諧振,解決了煩人的尖峰問題,目前測試過最大功率8KW下帶載10S。文中還分享了設(shè)計中的一些經(jīng)驗,一起來學(xué)習(xí)一下吧!

近段時間設(shè)計了一臺48V-5KW前級,糾結(jié)了許久,最后決定了用6個立式EC49變壓器,這樣單個變壓器功率品均在1000W左右,每個變壓器剛好可以用一對MOS,這樣就省的并聯(lián)MOS而造成驅(qū)動麻煩了,每個MOS分別用1個圖騰驅(qū)動,保證每只MOS都有充足的驅(qū)動余量。變壓器采用初級并聯(lián),次級串聯(lián)的方式,次級串聯(lián)CBB的方式,利用變壓器本身的漏感做諧振。這樣就可以解決掉煩人的尖峰問題,這樣只要前級一開環(huán),尖峰就能馬上壓制住。目前測試過最大功率8KW下帶載10S。驅(qū)動芯片是3525,當(dāng)然494也OK,個人愛好。下面是整機(jī)圖片。

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采用立式EC49,11+11針骨架,這骨架腳多,比較好分配引線,缺點是這骨架偏貴,偏門的東西就這毛病。考慮到多個變壓器并聯(lián),空載損耗會相對增大,所以盡量用較多的匝數(shù)來壓一壓。選用立式骨架的初衷目的有2個:

1是為了平衡高度,因為輸出電容的高度,如果用臥式骨架會讓2個高壓電容顯得很單調(diào)。
2是為了安裝臥式MOS而省下空間,變壓器左右2顆螺絲剛好是MOS的位置,這樣布置能讓MOS管的功率走線最短。偏磁的問題讓它就見鬼去吧!
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再就是采用臥式安裝的MOS,那就必須使用臥式散熱器,這樣也會帶來2個難題:

1是安裝沒有立式省事,批量效率偏低,散熱器成本相對較高。
2是散熱器的風(fēng)槽散熱對風(fēng)扇的選取比較頭疼,其實最初我估計是用不著風(fēng)冷,其實不然。目前在3KW下長時間工作,冬天可以不用,但是5KW時沒有風(fēng)扇還是不行的。

臥式散熱器最大好處就是機(jī)器結(jié)實,不會因為一些輕微的顛簸就拋錨。這樣安裝確實比較好看,這一點有些人就說了,好看不能當(dāng)飯吃哈。

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驅(qū)動板也利用臥式的方式安裝,利用變壓器和小元器件的高度差,填補(bǔ)剩余高度,因為立式驅(qū)動板的機(jī)器做的太多了,看膩了。所以想改改方案,驅(qū)動板用2銅柱加螺絲鎖死。這樣驅(qū)動板也不會因為松動而引起故障。當(dāng)然驅(qū)動板下面也不能空著,下面裝的是輔助電源。驅(qū)動板放上面是為了調(diào)試方便,諧振電容的小板也不例外,便于取下來調(diào)整諧振參數(shù)。

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輸入和輸出的接線方式也是采用端子+螺絲的方式,很多人還是比較喜歡直接抽線出來連接,不知道大伙比較看好哪種?
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其實我還恨不得直接從變壓器端把輸入引線抽出來比較省事,這樣就不用在PCB板底部加銅條。

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輸出高壓電容選用高品質(zhì)的日立電解,黑金剛當(dāng)然更好,問題是真正的黑金剛還真不好找。輸出端還加了一級LC濾波,勁量減少輸出紋波電壓。輸出保護(hù)沒有做短路保護(hù),只是簡單的用保險絲擋一擋,防止輸出高壓短路。幾次短路測試下,保險盒都被保險絲炸飛了,機(jī)器都完好無損,用的是15A的保險絲。我想應(yīng)該能抵擋一些意外短路故障而導(dǎo)致機(jī)器損壞的幾率了。

說起來其實挺簡單,做起來還真是免不了折騰,其實這機(jī)器最大的難點在于死區(qū)時間和諧振點上的調(diào)節(jié),這也得感謝專家們的點撥,不然還真得費上好些時日才能搞定。下面把機(jī)器的波形發(fā)來上獻(xiàn)獻(xiàn)丑。

MOS管驅(qū)動波形

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MOS管DS波形

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下面把調(diào)試的一些經(jīng)驗和大家伙分享分享,很多人都認(rèn)為推挽的死區(qū)時間越少越好,這樣在滿載的時候不至于電壓掉得太低,所以把死區(qū)時間盡可能調(diào)到最小,這樣一來,變壓器的漏感電流還來不及把MOS管2段電壓給抽取掉,MOS管就要被導(dǎo)通。這樣就會在導(dǎo)通期間造成一定損耗。做過諧振開關(guān)電源的朋友就很清楚這一點。

下面是死區(qū)時間偏小的MOS管波形。

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很明顯可以看出,死區(qū)時間不夠也會造成MOS管2端電壓振蕩,這是由于MOS結(jié)電容充放電時間決定了死區(qū)時間的大小,所以很多人認(rèn)為并聯(lián)MOS的大功率機(jī)器尖峰比較頭痛就是這個原因。
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到了這一步,是不是我們把波形整平了就算OK了呢,其實不然,這只算是完成了一一半。

我在調(diào)試的時候,還遇到一個納悶的問題,我的機(jī)器波形好了,尖峰沒有了,為什么變壓器效率很低,管子發(fā)燙比較厲害,變壓器線包也很燙。

我原來沒找到原因時測試過效率,在小功率的時候,1000W的時候,變壓器還算正常,效率有98點幾,管子熱量還比較小。當(dāng)帶載到2000W的時候,管子比較熱了,基本上沒有風(fēng)扇散熱是不行了。特別是變壓器的線包非常湯手,帶載到3000W時效率只有88%了。我就納悶了,我就認(rèn)為是變壓器沒繞好,可能是偏磁的原因。結(jié)果重新整了也不行。用的漆包線的余量也很充足,為什么還是一個原因。最后實在沒辦法就請教老壽老師,說到諧振電容大小才發(fā)覺,我的諧振電容容量和壽工的差距很大,結(jié)果仔細(xì)想想,懷疑是諧振頻率過高。重新調(diào)整諧振電容和諧振死區(qū)時間后,一切正常。

原因是諧振頻率太高,造成電流趨膚效應(yīng),功率管在諧振振蕩反峰時電流應(yīng)力過大,所以發(fā)熱很大,效率低也是理所當(dāng)然的了。那么我們要怎么知道諧振頻率是否過高呢。
下面我把諧振頻率過高的波形發(fā)上來給大家參考:

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這張波形是在輕載下的MOS管DS電壓波形,很明顯可以看出,MOS導(dǎo)通后一個周期內(nèi),由于次級諧振的作用,導(dǎo)致MOS管關(guān)斷后的電壓上升后又下降,這樣已經(jīng)重復(fù)了2個周期。那么到這里我們就可以想,要想MOS管開環(huán)時波形平坦,這很容易就能做到,只要諧振頻率是開關(guān)管驅(qū)動波形的整數(shù)倍就能做到。找到問題了這還不簡單,往次級諧振電容上不停堆電容,直到諧振頻率和驅(qū)動頻率一致不就OK了。
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看到這里,相信很多朋友以后都會了,諧振不也就是這么簡單,不知道我該不該把這些東西寫出來,因為我個人泡實驗室半年了,唯一拿得出底的家伙就這些,不怕被人噴,確實是我沒啥長進(jìn),眼看要過年了,也得拿點東西出來和大家伙們賀賀歲。

不過咱這一寫也不能讓大家伙白撈,還有一個問題得讓大家伙想想辦法。不知道做推挽的朋友有沒有發(fā)現(xiàn)。就是開機(jī)瞬間,3525軟啟動過程,由于占空比沒有打開。變壓器本身漏感和輸出次級電容充電應(yīng)力造成的MOS電壓尖峰非常高,例如我48V輸入前級,用200VMOS管,這尖峰在開機(jī)瞬間已經(jīng)到達(dá)200V甚至?xí)^。危險很大,目前我只能用TVS嵌位在160V,但是這TVS嵌位可靠性還是挺懸,TVS也會有一定壓降,電流越大,嵌位電壓越高,就是說尖峰電流大時160V的TVS會升高到180V以上,總覺得治標(biāo)不治本。

所以還得看看大家伙給出處注意。我是想到以后用諧振芯片,用固定死區(qū)時間變頻的方式做推挽,不知道可行性高不高。

我這機(jī)器做了2臺不同方式的樣機(jī),大家覺得哪種比較好?

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是直接從變壓器引腳處直接抽線出來,理論上電流比較均衡。有些人說這樣的比較好看。

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我個人覺得下面這種看起來比較舒服,整潔。

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