在國(guó)家教育部高等教育司的指導(dǎo)下,MPS 公司開(kāi)展的“產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目” 已進(jìn)行了四年。四年來(lái),MPS 公司匯聚行業(yè)資源,圍繞產(chǎn)業(yè)的最新技術(shù)和解決方案,支持全國(guó)高校人才培養(yǎng)和專(zhuān)業(yè)綜合改革,深化產(chǎn)教融合、產(chǎn)學(xué)合作、協(xié)同育人,共同推進(jìn)科技前沿創(chuàng)新,聯(lián)合培養(yǎng)了一流創(chuàng)新型和實(shí)踐型的人才,產(chǎn)出了一系列優(yōu)秀的項(xiàng)目成果。
本篇為大家展示的是福州大學(xué)張藝明老師的項(xiàng)目成果。
在DC/DC變換器中,多個(gè)開(kāi)關(guān)器件的輔助電源需要各自獨(dú)立的隔離電源。以全橋變換器為例,橋臂的上管和下管需要隔離的門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的供電電源。傳統(tǒng)方案采用自舉電路這樣一個(gè)巧妙的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)供電,采用一個(gè)獨(dú)立電源,就可以為多路串聯(lián)管子實(shí)現(xiàn)輔助電源供電。該方案簡(jiǎn)單、可靠和成本低。
但是,當(dāng)橋臂有多個(gè)開(kāi)關(guān)管串聯(lián)時(shí),需要多路自舉電路進(jìn)行供電,帶來(lái)了成本的問(wèn)題。同時(shí),自舉電路中,上管的供電電壓小于下管的供電電壓,相差一個(gè)二極管的壓降,兩管的開(kāi)通狀態(tài)并不完全對(duì)稱(chēng)。以STC變換器為例,如圖1所示,對(duì)于右側(cè)三個(gè)下管,可以共用一路輔助電源,三個(gè)上管可以使用自舉電路進(jìn)行供電,而對(duì)于左側(cè)的四個(gè)管子,需要相應(yīng)的輔助電源。采用自舉電路,會(huì)使得每一級(jí)自舉電路均帶來(lái)一定的壓降,造成器件導(dǎo)通狀態(tài)的不一致。采用多路獨(dú)立電源,又帶來(lái)了額外的成本。
圖1:STC變換器
在模塊化多電平變換器(Modular Multi-level Converter,MMC)中,由于模塊數(shù)眾多,需要非常多路的獨(dú)立電源,為門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行供電。這帶來(lái)了成本和復(fù)雜度等問(wèn)題。因此,需要HR1211研究新型的輔助電源供電方式,為電力電子變換器提供相互隔離、可靠的多路獨(dú)立電源。
采用無(wú)線供電的方式,利用發(fā)射端的一路獨(dú)立電源,通過(guò)多個(gè)解耦接收線圈,提供多路磁隔離的獨(dú)立輔助電源。研究方案如圖2所示,將深度與MPS公司合作,采用MPS公司的多種芯片,包含PFC/LLC組合控制器HR1211,MOSFET驅(qū)動(dòng)器MP1907A,和LDO芯片MPQ2013A-AEC1等相關(guān)芯片,完成多路獨(dú)立輔助電源的設(shè)計(jì)任務(wù),充分結(jié)合MPS在電源芯片方面的優(yōu)勢(shì),基于MPS相應(yīng)的芯片,探索利用無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多路磁隔離的獨(dú)立輔助電源方案,并為可能的新型芯片設(shè)計(jì)提供解決方案。
圖2:具體研究方案和使用的MPS芯片
隔離的獨(dú)立輔助電源無(wú)線充電系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D3所示,VINV為逆變器直流輸入電壓,LT為發(fā)射線圈,LF為補(bǔ)償電感,LRN (N=1,2,3,4)為接收線圈,CT、CF和CRN為補(bǔ)償電容,MN為發(fā)射和接收線圈LRN之間的互感,VRECN為N路整流器直流輸出電壓,RLN為N路負(fù)載電阻。
圖3:四接收無(wú)線充電系統(tǒng)拓?fù)?/span>
基于有限元仿真軟件建立線圈結(jié)構(gòu)模型模型如圖4(a)所示,4個(gè)接收線圈之間相互解耦,繪制的相應(yīng)PCB線圈如圖4(b)所示。
圖4:(a) 耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) (b) 發(fā)射和接收線圈PCB圖
同時(shí),利用該新型供電方式的研究項(xiàng)目,打造依托于科研項(xiàng)目的電力電子方向研究生科研訓(xùn)練流程和評(píng)價(jià)指標(biāo),豐富科研訓(xùn)練方法,開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)型、甚至探索型的科研訓(xùn)練實(shí)踐,讓學(xué)生不再停留在傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)-考試的學(xué)習(xí)模式,以及依葫蘆畫(huà)瓢式接線的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐模式。通過(guò)與MPS充分的合作,引入產(chǎn)業(yè)界的導(dǎo)師,在研究生的培訓(xùn)中發(fā)揮積極作用,探索新型的產(chǎn)學(xué)研合作模式。
該方案簡(jiǎn)單、可靠,并且自然滿(mǎn)足了電氣的隔離和絕緣的等級(jí)要求。在PFC+LCC、逆變電路、LDO等方面都會(huì)用到MPS芯片,下面詳細(xì)介紹MPS芯片在多路隔離的輔助電源新型供電方式中的應(yīng)用。
1. PFC+LLC
功率因數(shù)校正(PFC)將來(lái)自電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電,直流電通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)化為交流電,經(jīng)過(guò)發(fā)射線圈將能量從發(fā)射側(cè)傳到接收側(cè)。
HR1211 是一款多模式 PFC 和電流模式 LLC 數(shù)字組合控制器,可通過(guò) UART 接口配置。其集成的節(jié)能技術(shù)有助于在整個(gè)工作電壓范圍內(nèi)優(yōu)化效率。PFC控制器采用獲得專(zhuān)利的數(shù)字平均電流控制方案,以實(shí)現(xiàn)連續(xù)導(dǎo)通 (CCM) 和斷續(xù)導(dǎo)通 (DCM) 混合工作模式。
在重載下,CCM可以降低 MOSFET 的峰值電流,擴(kuò)大控制器的負(fù)載范圍。在輕載下,DCM可降低開(kāi)關(guān)頻率,以實(shí)現(xiàn)更高效率。突發(fā)模式采用可配置的數(shù)字軟切換,可改善輕載效率,降低音頻噪聲。
LLC級(jí)采用電流控制模式,可以實(shí)現(xiàn)出色的穩(wěn)定性和快速響應(yīng)。根據(jù)不同的負(fù)載條件,可執(zhí)行三種不同的運(yùn)行模式:穩(wěn)態(tài)模式、跳頻模式和突發(fā)模式。通過(guò)這種方法,可以分別優(yōu)化不同負(fù)載條件下的效率。在輕載下,采用由頻率控制的數(shù)字突發(fā)模式來(lái)降低開(kāi)關(guān)功率損耗和音頻噪聲。 此外,還采用自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)(ADTA)和容性模式保護(hù)(CMP)來(lái)確保零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS),無(wú)需采用容性模式。
HR1211 可以采用內(nèi)部高壓電流源來(lái)上電,因此無(wú)需使用傳統(tǒng)的上電電阻或外部電路。當(dāng) AC 信號(hào)丟失時(shí),高壓(HV)電流源可充當(dāng)X電容放電器,因此無(wú)需使用電容電阻。提供多種保護(hù),包括過(guò)溫關(guān)斷保護(hù)(TSD)、PFC開(kāi)環(huán)保護(hù)(OLP)、過(guò)壓保護(hù)(OVP)、過(guò)流限值(OCL)和 LLC過(guò)流保護(hù)(OCP)、SO 引腳保護(hù)以及過(guò)功率保護(hù)(OPP)。如下圖5為MPS公司的HR1211典型應(yīng)用電路圖。
圖5:HR1211用于PFC+LLC
2. 逆變模塊
逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妷海孀冾l率常采用85kHZ,MOSFET管要有良好的耐壓和散熱性能,通過(guò)DSP產(chǎn)生PWM信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電路,驅(qū)動(dòng)電路控制MOSFET管導(dǎo)通,MOSFET驅(qū)動(dòng)器MP1907A采用MPS公司芯片,MP1907A 是一款高頻 100V 半橋 N-通道功率 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器。其低端和高端驅(qū)動(dòng)通道分別獨(dú)立控制,且匹配時(shí)間延遲小于 5ns。高低兩端驅(qū)動(dòng)電壓的欠壓鎖定保護(hù)(UVLO),在供電不足時(shí)強(qiáng)制低輸出。兩個(gè)輸出保持低電平直到檢測(cè)到任意輸入上升沿時(shí)。集成自舉二極管減少了外部部件的使用。
MP1907A 采用 QFN-10封裝。如圖6所示為MP1907A的典型應(yīng)用電路。逆變電路設(shè)計(jì)原理圖如圖7所示。
圖6:MP1907A典型應(yīng)用電路
圖7:逆變電路原理圖
3. LDO
LDO是一種直流降壓型的線性穩(wěn)壓器,其在輸入電壓或者負(fù)載電流發(fā)生變化的情況下仍然可以保持穩(wěn)定的輸出電壓。如今的LDO電路具有體積小,噪聲低,功耗低,價(jià)格低廉,使用方便等特點(diǎn)。
項(xiàng)目合作期間引入了MPS公司MPQ2029-AEC1芯片,MPQ2029-AEC1是一款低功耗線性穩(wěn)壓器,使用高壓電池為系統(tǒng)供電。MPQ2029-AEC1具有3V至40V輸入范圍、低壓差電壓和低靜態(tài)輸入電流。低靜態(tài)電流和低壓差電壓允許在極低功率水平下運(yùn)行,使MPQ2029-AEC1成為低功率微控制器和電池供電設(shè)備的理想選擇。
MPQ2029-AEC1提供1.25V至15V的可調(diào)輸出范圍。調(diào)節(jié)器的輸出電流受到內(nèi)部限制,并且該設(shè)備受到短路、過(guò)載和過(guò)熱條件的保護(hù)。MPQ2029-AEC1采用SOIC8 EP封裝。如圖8所示為采用MPQ2029-AEC1實(shí)現(xiàn)LDO。
圖8:MPQ2029用于LDO
結(jié)合MPS在電源芯片方面的優(yōu)勢(shì),采用MPS公司的多種芯片,包含PFC/LLC組合控制器HR1211,MOSFET驅(qū)動(dòng)器MP1907A,和LDO芯片MPQ2013A-AEC1等相關(guān)芯片,完成了多路獨(dú)立輔助電源的設(shè)計(jì)任務(wù),探索了利用無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多路磁隔離的獨(dú)立輔助電源方案。同時(shí),利用該新型供電方式的研究項(xiàng)目,打造了依托于科研項(xiàng)目的電力電子方向研究生科研訓(xùn)練流程和評(píng)價(jià)指標(biāo),豐富了科研訓(xùn)練方法。
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