大功率DC／DC变换器的研制
发布时间：2010-11-11 12:32
发布者：designer
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惯导系统专用DC／DC电源(28.5 V)主要功能是隔离和稳定弹上供电电压，保证弹上电源在较大范围波动时能提供精密稳定的电压，一般情况下，受弹上舵机等其他设备工作的影响，弹上电源的波动和干扰很大。 为此，本文采用氮化铝基板、混合集成技术和裸芯片组装工艺，给出了一种高可靠而且重量轻、体积小、输出功率较大的200 W直流／直流变换器的研制过程。该DC／DC变换器可替代进口产品，也可推广应用到其他型号的机载或弹用设备系统中。 1 电路设计 该DC／DC变换器在原理上采用双管推挽拓扑+两路串联设计技术，每路承担100 W的输出功率。由于是两路串联，故只要保证每路输出电压一样，就可使每路输出功率一样，从而避免了并联技术所要采取的均流技术等复杂措施。每路电路则采用脉宽调制(PWM)控制技术，并通过推挽功率变换，变压器耦合传输，再经整流、滤波后得到相应的输出电压，最后经光耦的反馈来调整脉冲导通时间，从而得到精确的输出电压。 该变换器的电路原理框图如图1所示。每路电路均由输入滤波电路、推挽式功率转换电路、高频变压器、输出整流滤波电路组成。推挽电路由于结构简单，变压器工作在磁滞回线I、Ⅲ象限，且工作中没有直流分量，不易饱和。相对于有直流分量的单端电路而言，在传递同等功率时，变压器的尺寸要相对小些。输出全波整流后，脉冲频率将提高一倍，因此，滤波电容可以减小，以有利于小型化。主电路经整流滤波后的信号经过采样与精密基准比较放大后，其误差信号通过光耦反馈给脉宽调制器，以调制其驱动信号脉冲宽度，从而控制功率开关管的通断时间，最终实现输出电压的稳定。系统中的辅助电源主要提供PWM控制器的工作电压。  [next] 2工艺设计 该变换器可采用AIN高温共烧基板制造工艺及厚膜成膜、厚膜组装工艺制造。图2所示是AIN高温共烧基板制造工艺流程图，其组装工艺流程如图3所示。  成膜工艺流程如下： 1基片处理→2掩模制版→3金导体印制→4烘干烧成→5介质印制→6烘干烧成→7PdAg导体印制→8烘干烧成→9电阻印制→10烘干烧成→11玻璃印制→12烘干烧成→13金属化印制→14烘干烧成→15激光调阻→16成膜专检。 3关键技术问题 3.1方案设计问题 由于此电路要求输出功率高达200 W，因此，总体方案的选择尤为重要。从理论上讲，实现200 W的DC／DC变换器输出有三种可行方案：一是单路输出，二是两路并联输出，三是两路串联输出。第一种方案线路最为简单，但要求变压器应有200 W以上的传输功率，经过计算，至少要选用φ2213的磁罐，这样，加上底板厚度2.5 mm、盖板0.5 mm、变压器粘接膜厚以及变压器和上盖板之间的间距至少要保留0.5 mm以上，其总高度已超过16.5 mm，而设计要求的最大高度为15mm。第二种方案为VICOR公司采用的N+1方案，但由于电路启动或工作时电流分配不均匀易造成电路损坏，所以采用这种方案一般要应用均流技术，这样将增加电路的复杂程度，也延长了研制周期。考虑到此电路的输出电压较高(28.5 V)，第三种方案应是实现本电路的最佳方案，因为采用串联技术只要每路输出电压一样就可保证输出功率一样，这样可避免输出功率的不均匀，而输出电压一样只要通过功能调就可保证。由于电路总的输出电压为28.5 V。每路的输出电压有14 V多，因而不必担心因电压过低而影响效率。DC／DC变换器输出功率大于100 W的技术已经成熟。因此，无论从方案的可行性．还是从实施的进度来讲，第三种方案都是实现本课题的最佳方案。 3.2电路设计问题 (1)线路的优化 设计时，可先用计算机软件仿真出最佳工作频率、变压器参数和关键电感电容的参数。对DC／DC电源而言，高频变压器的设计是首先要考虑的关键内容，而变压器设计的核心则是其初级和次级线圈匝数的确定。设计时，可采用以下公式来计算初级和次级线圈匝数：  式中，Np为初级线圈匝数，Vp为加在变压器初级的电压，f为变压器的开关频率，Bmax是最大磁通密度，Ae为磁芯有效截面积(cm2)。事实上，如果不考虑肖特基二级极管上的压降，则次级线圈匝数为：  其中，VO为输出电压，δmax是脉冲导通最大占空比，Vin min是输入电压最小值。 经过计算得到变压器初、次级线圈匝数的理论值后，可再经过试验以进行效验。为了减小漏感影响，此电路的设计采用初级和次级漆包线相互交叉绕制的方法。为了减少趋肤效应造成的损耗，变压器采用多线并绕的方法。 (2)元器件的设计 选取高品质的元器件(如日本TDK磁罐、低损耗的VMOS开关管、肖特基二极管等)可降低每一个关键环节的功率损耗。输入、输出滤波电路应采用可靠性较高的片式独石电容作为滤波电容，应避免钽电容在高温功率老化时容易出现的失效，有效提高电路的可靠性。 (3)平面转换设计 版图设计时，流过大电流回路的导带应尽量短、粗且靠近引脚，并应采用两次印刷，加厚导带层，以减小导带电阻，降低损耗。功率管上压焊的铝丝应选用300μm的材料，输入和输出电容端头的钯银焊区上应镀一层锡，变压器的漆包线尽可能地粗或用多股细线。 (4)热设计 在布局上，热源要均匀分布，不要集中于某一局部，尤其是VMOS管、肖特基管。可选用高导热材料ALN做基板以减小热阻，快速散热，避免局部温升过高。由于本产品所需的基片较大，为避免机械冲击可能造成的损伤，应把基片分成四块(2块ALN基板和2块A12O3基板)来增加产品的可靠性。本产品的主要热源有15个，分别是4个VMOS管、8个肖特基二极管、2个变压器和1个电感。经过综合考虑，本设计把变压器和电感直接粘在底座的中部，以便于最大可能地散热，同时把4个VMOS管均匀地放在左侧的ALN基片上，而把8个肖特基二极管均匀地放在右侧的ALN基片上，这样，15个热源相对均匀分散放置，有利于产品热量的散发，避免局部过热。变压器、电感的引出端焊点尽量靠近其本身，并应避免引线过长，引起不必要的铜损与干扰。而对相应的钯银焊区进行敷锡，既可方便手工焊接，又可降低接触电阻和线间损耗。功率管载流焊在基板上，并将基板焊在底座上，这样有利于减少内热阻，降低损耗。 在做老化和质量一致性检验时，还应在产品和散热片之间加导热布或导热硅脂以减小热阻，同时减小损耗降低温升。 (5)低温启动和高温自激问题的解决 由于本课题研究的DC／DC变换器的输出功率高达200W以上，输出电流在7 A以上，电路内部的电流变换率和电压变换率很大，元器件承受的应力也很大，因此，DC／DC变换器很容易处于不稳定状态，因而必须小心地设计电路的补偿网络。开关电源是一个闭环自动稳定系统，误差放大、补偿网络都是带负反馈的误差放大器，因此，补偿网络的设计显得尤为重要。在本课题的研制过程中，低温启动和高温自激曾长时间困扰着课题组，低温启动的不确定性，更增加了解决的难度。最终，课题组通过选择补偿网络的每一个元器件的参数，精心设计并反复试验，从而攻克了这两个难题，保证了DC／DC变换器稳定地工作。 3.3工艺设计问题 由于此电路是大功率混合集成电路，输出功率高达200 W，电路内部功耗高达30 W，采用常规的工艺已不能满足要求，故应寻求新材料，并采用新工艺。 氮化铝(AlN)基板以其热导率高，热膨胀系数与硅接近，机械强度高，电性能优良等综合特点，而成为功率MCM的理想基板。由于AlN与Si的膨胀系数相接近，AlN基板与Si之间产生的热应力较小。由于AlN可以克服Al2O3瓷与硅片热膨胀系数不匹配的缺点，故可使得采用AlN作基板的MCM具有更高的可靠性。ALN具有六方晶系纤锌矿结构，质轻(相对密度为3.6)、强度高、禁带宽(Eg=6.2 eV)，抗电强度、体电阻率和介电常数均优良。其最大优点是具有高热导率(AlN的热导率是120～160 W／m.K，而一般的Al2O3的热导率是30 W／m.K)，因此ALN更适合于制作高集成度、高压、高速、大功率电路用厚膜混合集成电路的基板。 基于以上原因，本课题组决定选用ALN基片作为大功率器件的基板，并把功耗较大的VMOS管、肖特基二极管分布在ALN基板上。为防止基片过大冲击造成损坏，制作时特设计了四块基板(两块ALN基片和两块Al2O3基片)。 本课题标准规定漏气率需≤1×10-2Pa.cm3／s，经过综合考虑和对比试验，发现采用陶瓷绝缘子密封的抗折强度、抗压强度和抗拉强度等指标均优于玻璃绝缘子，故采用陶瓷绝缘子密封。 4结束语 该DC／DC变换器的输出功率高达200 W，外形尺寸为120.8 mm×76 min×15.5 mm，是国内迄今为止研制的最大功率和最大体积混合集成电源。由于采用了MCM技术和DC／DC变换器技术的结合，因而在客观上拓宽了DC／DC变换器的大功率输出范围，并为混合集成DC／DC变换器实现更大功率提供了可能性。 |
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