车载双管正激直流变换器的设计

摘要：研究了一种适用于电动汽车的高效率双管正激直流变换器，在提出一种设计方案的基础上，重点对其控制电路，反馈回路、启动电路和变压器的关键参数等进行了详细分析设计。其中控制电路使用SG3525芯片，采用二型补偿对控制电路进行补偿。实验测试结果表明该变换器输出稳定，有较高的转换效率。
关键词：双管正激；直流变换器；二型补偿；电动汽车

电动汽车作为一种新能源的交通工具，目前已经得到快速地发展。电动汽车的能量一般由6节蓄电池串联组成的蓄电池组(电压72 V)进行供应，但电动汽车中的一些辅助电子设备，如汽车大灯、刹车尾灯、喇叭和雨刮器等的工作电压都是14 V，因此需要一只由72～14 V的直流变换器进行可靠的电压变换。同时由于电动汽车内部的工作环境的限制，以及从节约能源角度考虑，该直流变换器必须有较高的转换效率。根据一般电动汽车的实际工作需求，该设计的直流变换器采用了双管正激的拓扑结构，输出功率300 W，转换效率大于85％。由于本设计中MOS管承受的电压应力小，变压器构造简单，不需要磁复位绕组，不会出现桥臂直通的问题，因此设计简单、可靠性高。

1 系统结构组成
车载双管正激直流变换器的结构图如图1所示。

系统由4个部分组成：功率电路，隔离反馈电路，PI补偿电路与PWM生成电路和驱动电路组成。隔离反馈电路主要由光耦P521与精密稳压管TL431组成，把输出电压隔离后反馈给控制芯片。PI补偿电路与PWM生成电路由芯片SG3525来实现其功能。驱动电路用于把PWM信号分成两路独立的信号G1，G2，分别用于驱动MOS管VQ1，VQ2。这四个部分构成了一个闭环系统，根据输出电压调节占空比，最终使输出电压稳定。
双管正激直流变换器工作在电流连续模式下的两个工作状态可用如下的简化电路来表示(为了便于分析，忽略MOS管的导通电压、导通压降以及寄生电容，把变换器简化成两个工作状态：开关导通状态与开关闭合状态)：
双管正激变换器工作过程为：MOS管导通时，初级侧电流流经上管VQ1，变压器初级，下管VQ2后返回电池组负极。在这个过程中励磁电流逐渐增大。次级侧整流二极管VD3导通，续流二极管VD4截止，电池组通过变压器给负载提供能量，并且给输出屯容充电。MOS管截止时，初级侧两个MOS管截止，励磁二极管VD1，VD2导通，励磁电流逐渐下降为零，对变压器进行磁复位。次级侧整流二极管VD3截止，续流二极管VD4导通，存储在电感中的电能为负载提供电流。见图2、图3。

2 相关电路的设计
2．1 控制电路与补偿电路
双管正激变换器控制电路选用了SG3525控制芯片，与其他控制芯片相比，SG3525去除了限流比较器，改由外部关断信号输入端来实现限流功能，同时还具有逐个脉冲关断和直流输出电流限幅功能，适合输出低电压大电流变换器。实际使用中，在引脚10上接电流检测信号，来对输出电流进行限制。SG3525还具有欠压锁定功能，当芯片供电小于8 V时，芯片无PWM信号输出，变换器也无输出电压，从而实现保护功能。为保证双管正激变换器中的高频变压器在一个周期内完成磁复位，根据变压器励磁电感的伏秒平衡原理可知变换器的占空比必须小于0．5。通过调节SG3525外围的定时容CT，定时电阻RT，以及放电电阻RD来设定PWM的最大占空比以及死区时间。控制电路使用PWM控制芯片SG3 525，外围电路简单。电路中的锯齿波频率由RT，CT和RD决定，取CT=1．5 nF，RT=5．1 kΩ，RD=220 Ω。根据公式f=1／[CT(0.7RT+3RD)]计算出振荡器输出频率约140 kHz，PWM信号频率约为70 kHz。软启动功能引脚接一个4．7μF的电容。当电容充满电，SG352的8脚为高电平时，SG3525才开始工作。稳定的系统要求回路开环BODE图在剪切频率出幅值斜率为-20 dB／dec，至少有45°的相位裕量。双管正激直流变换器采用二型补偿电路(见图4)，其传递函数为：

设计时将穿越频率设定为1／4开关频率；零点频率设为1／4滤波器谐振频率，增加中频段相位裕量；极点频率设为1／4滤波电容自身容阻频率，增加高频段的衰减。由