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锐骏RU系列大功率MOS管在逆变器中的优越性能

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szruichips
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LV2
本网技师
  • 2011-4-29 11:48:53
锐骏MOS管的性能在业内已经有很好的口碑,大功率、中压大电流都是我们产品的特点所在,并且已能完美替代IR公司、ST公司和NEC公司的一些产品。但是如何更具体的体现锐骏产品的优越性能,下面我们通过在逆变器的具体应用中来体现:

一、 本逆变器相比于传统工频变换的优点:

更小的体积;更轻的重量;极高的效率;更低的噪声;更宽的输入电压范围;完善的保护功能(具有输入欠压过压保护,过流短路保护,过热保护。)

二、 本逆变器采用DC-AC-DC-AC高频构架的两极功率变换

系统结构图




主电路框图




前级由Q1,Q2,T1组成35KHZ的高频推挽式变换器,负责把电池BT1上10.5-14V的直流电变换成35KHZ的高频交流电,再通过T1升压,D1-4桥式整流,C2滤波变换成约220-320V的高压直流电,最后通过后级全桥变换成220V50HZ的交流电供给负载使用。
其中Q1,Q2使用了锐骏半导体有限公司的RU6099,为了达到一定的功率余量,提高效率和增加稳定性各采用了4只RU6099并联使用。
为了通过两级变换达到输出220V50HZ的目的,Q1-6及J1的时序如下





电气性能

输入

输出

电压范围
10.5-14V
电压
220V+-5%
频率
DC
频率
50+-1Hz
效率
>90%
额定功率
1000W
温度保护点
90+-5℃
峰值功率(2S)
2000W
熔丝电流容量
3*40A
波形
准正弦波


三、 主要功率器件的选用及设计

1、前级功率管Q1,Q2:
Q1,Q2在输入最低电压为10.5V时达到额定功率承受的电流为:
I=1.4(P/η)/Umin=1.4(1000/0.9)/10.5=148A
其中:
1.4: 推挽结构的电流系数:即变压器初级最大电流是平均电流的倍数;
P: 输入额定功率;
η: 逆变器的效率;
Umin: 输入最低电压。
考虑到逆变器需要承受2000W的峰值功率,因而选管时电流要加倍,因而实际Q1,Q2需要承受148*2=296A的最大电流,实际选用了4只120A的RUICHIPS公司的RU6099并联达到这个电流并留有一定的余量。

2、主变压器T1的设计:
根据TDK磁芯手册,选用EC42-20磁芯,PC40材质,考虑到功率密度,磁芯损耗和开关损耗的折中,频率选定35KHZ 。

初级匝数的计算:
Npri=Umax*100000000/(4fBA)=14*100000000/(4*35000*2000*2.54)=1.97T,实际取2T,因为推挽结构,初级为;2T+2T.
其中:
Umax:最大输入电压;
f:开关频率
B:最大输入电压时的工作磁通密度;
A:磁芯中柱的截面积

次级匝数的计算:
根据变压器原理有

Uout=D(Nsec/Npri)*Umin
Nsec=(Npri/D)(Uout/Umin)=(2/0.95)(220/10.5)=44T,考虑到各种损耗,实际取值45T
其中:
D:占空比
Uout:输入最低电压时的输出电压

初级线径的选取:
当输入最低电压时初级的平均电流为:
(1000/0.9)/10.5=106(A)
强制风冷取5.5A/mm*mm的电流密度需要106/5.5=19.3mm*mm
次级线径的选取:
根据变压器原理
次级线径为:19.3/(45/2)=0.86mm*mm

3、高压整流二极管的选取:
估算整流管的最大电流=2000W/220*1.4=12.6A,实际选用RHRP15120,15A1200V的管子。

4后级高压MOS管的选取:
估算后级高压MOS管的最大电流=2000W/220=9A,为了能带冲击性比较大的负载选用仙童的FQA24N50,24A,500V的管子。

四、PWW和驱动电路

本电路前级和后级各采用一块SG/KA3525作为PWM发生电路,前级振荡频率为70KHZ,分频后在11,14脚产生35KHZ的开关信号通过图腾柱分别驱动4只RU6099;后级振荡频率为100HZ,分频后在11,14脚产生两路50HZ的开关信号,这两路50HZ的开关信号各分两路,一路直接驱动后级全桥的两个下管,一路反相后自举驱动后级全桥的两个上管。

五、 保护电路

为了使逆变器能在各种恶劣的环境中可靠工作而不至于损坏,本机设计了多种保护电路:
1、 电池欠压保护
当电池电压低于10.5V时,为了使电池不至于因为过放电而损坏和逆变器不会因为输入电压过低而损坏,本机设计了欠压保护,其原理为通过比较器设定一个窗口电平,用输入电压衰减后和这个窗口电平相比较,低于窗口电平会使比较器发出高电平关断逆变器。
2、电池过压保护
当电池接错,超出逆变器允许的输入电压时,逆变器将被关闭,其原理为:电池过压时,串联在前级SG/KA3525第10脚于电池之间的稳压管会被击穿,第10脚处于高电平,前级被关断。
3、过流短路保护
为了使当输出短路或负载长时间超出额定功率时逆变器不被损坏,本逆变器设计了过流短路保护。其原理为:在后级直流高压的回路上串联了一个取样电阻用来检测输出功率的高低,这个取样电阻两端的电压就代表了输出功率的大小。当检测到输出短路或负载长时间超出额定功率逆变器都会被关断。
4、过热保护
为了使逆变器过热时不被损坏,本逆变器设计了过热保护,其原理为在功率管的散热片上安装了PTC热敏电阻作为温度传感器检测机内温度的高低,当机内温度超过逆变器允许的温度时,逆变器会自动停止工作,直到温度降低到安全温度并重新开机逆变器才恢复工作。

六、 测试规范

1、测试方法
先调整相应的跳线只给前后级驱动电路供电,测试前级开关频率应该在35K左右,后级开关频率应该在50+-1 HZ左右,相差较大的话要调整相应的电阻。驱动波形应该良好才给功率级供电,功率级供电要先用带限流功能的小功率稳压电源供电,然后进行空载调试,前级直流高压限压320V,后级输出调到225V空载即可。最后用大功率电源供电带载调试调整好过流保护点。
2特别注意事项
电池接反会烧毁前级的熔丝,但不会损坏其他部分,更换熔丝即可正常工作。

七、 PCB规格书
项目
参数
备注
PCB尺寸
190 x 130 x65
长 x 宽 x 高 (单位: mm)
层数
1
单面板
PCB材质
FR-4

铜皮厚度
1OZ

表面工艺
喷锡

丝印
白色


八、 <b style="mso-bidi-font-weight:normal;"><span style="font-family:宋体;mso-bidi-font-size:10.5pt;mso-ascii-font-family:'Times New Roman';mso-hansi-font-family:'Times New Roman';">主要元件
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本网技师
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序号
元件名称
型号规格
用量
备注
1
IC
SG/KA3525
2

2
MOS
RU6099
8

3
MOS
FQA24N50
4

4
变压器
EC42-20
1

五、 主要实测波形图
本样机输出空载时前级一边MOS的D极的波形实测


本样机输出586W时前级一边MOS的D极的波形实测


本样机输出1000W时前级一边MOS的D极的波形实测:


根据上述设计原理我们做出了样机,实验证明本样机具有重量轻,体积小,效率高运行可靠成本低等优点,达到了实验目的
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