kW级全砖DC-DC模块电源的设计与实现

随着半导体产业与电力电子技术的迅猛发展,开关电源作为电子设备稳定运行的重要组成部分,在民用、铁路、船舰、导弹以及航空航天等领域的应用越来越普及。同时,终端设备精密度、性能要求以及应用场景的改变,对电源的可靠性、安全性、散热性能和功率密度提出了越来越高的要求。本文选取移相全桥DC-DC变换器为研究对象,以实现模块电源稳定高效工作为目标,完成了磁性元件参数计算、热仿真分析与电源热管理设计,基于芯片UCC28950完成了控制电路及控制算法的研究设计。本文主要研究工作内容如下:(1)分析了移相全桥DC-DC变换器的基本结构、拓扑工作原理和完整工作周期内的移相控制时序,并针对移相全桥变换器占空比丢失、超前臂和滞后臂ZVS的实现等问题进行了详细分析和计算,就副边难以实现ZVS的情况给出相关解决方案。针对副边整流管易产生电压尖峰或振荡问题设计了原边加钳位二极管的Tr_lag电路。(2)针对大功率密度下模块电源散热严重的问题,给出了电源主功率器件具体的参数设计方案,并计算比较了各器件的功率损耗情况。分析了模块电源在工作条件下的主要散热方式和热量流通路径,基于有限元分析软件完成了电源的热建模仿真,并针对模块过温工作设计了热保护电路。(3)分析了变换器主要控制方式,并基于峰值电流控制模式对UCC28950主要参数进行了设计。从BUCK变换器小信号模型入手,推导了移相全桥DC-DC变换器的小信号模型,对闭环系统的控制策略和补偿网络设计进行了理论分析。设计了电压环和电流环的双环反馈网络,并基于PI控制对环路进行参数整定,在Matlab下验证了补偿网络设计的正确性。基于以上分析和计算,本文搭建了移相全桥DC-DC变换器仿真模型,仿真成功实现了原副边驱动信号的移相PWM控制,输出响应良好,验证了系统参数计算的正确性与合理性。根据理论分析和计算,研制了一款功率达1kW,输出电压为12V的全砖模块电源,通过对样机测试和波形数据分析,电源完全实现ZVS、工作性能稳定、转换效率最高可达95%。