1、本科毕业论文（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I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电路、控制电路、驱动电路等各部分
2、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；MOSFETAbstractIIAbstractElectric 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 circ
4、uit 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 circui
5、t. 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 make
6、s 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目 录III目 录摘 要 . IABSTRACT . II目 录 . III第一章 绪 论 . 11.1 课 题 选 择 的 背 景 及 意
7、 义 . 11.2 电 动 汽 车 DC/DC 变 换 器 的 发 展 概 况 . 21.3 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
8、 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 .183.4.4 滤 波 电 容 的 选 择 .18第四章.DC-DC 变换器控制电路的设计 .20目 录IV4.1 PWM 控 制 芯 片 SG3525 功 能 简 介 .204.1.1 SG3525 引 脚 功 能
9、 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 -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、微电子及自动控制等多个技术领域，
10、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 DC DC 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)DC DC 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
11、电池移动电源，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。第一章 绪论- 2 -上个世纪七十年代以来几次石油
12、危机唤起了人们对有限石油资源的关注，目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/
13、DC）变换器广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备、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 251W 750W 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
14、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
15、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，第一章 绪论- 3 -已有一些公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 MO
16、SFET 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,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
17、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
18、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换为电动汽车 12V 电源。第二章 电动汽车 DC/DC 变换器的原理- 4 -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
19、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)代表开关器件在一个周期内的导通占空比，是脉冲序列 的参）（ t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
20、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。第二章 电动汽车 DC/DC 变换器的原理- 5 -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；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
21、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，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。
