電流型控制反激DC/DC變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了一種大功率電流型控制反激DC/DC變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并提出了一種更簡潔的儲能式變壓器的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)并研制成功1kW27V/190V樣機(jī)，具有過載短路能力強(qiáng)、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：反激變換器；大功率；電流控制

1    引言

    靜止變流器一般采用DC27V/DC190V/AC115V400Hz的變換結(jié)構(gòu)，前級將輸入的27V直流電轉(zhuǎn)換為190V直流電，后級逆變環(huán)節(jié)將190V直流電變換為用電設(shè)備所需的115V/400Hz交流電。由于反激變換器具有電路拓?fù)浜啙?、輸入電壓范圍寬、輸入輸出電氣隔離、體積重量小等優(yōu)點(diǎn)，因而將其作為靜止變流器的前級電路拓?fù)?，將會使整個(gè)靜止變流器的體積重量下降，以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。

2    電流型控制反激DC/DC變換器

2.1    功率電路

    因?yàn)檩斎霝榈蛪捍箅娏?，故選用單管反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。針對這一結(jié)構(gòu)主功率開關(guān)上必須加緩沖電路，否則開關(guān)管關(guān)斷時(shí)漏感能量無處釋放，將會引起電壓尖峰擊穿功率管。常用的緩沖電路有LCD、RCD和有源箝位三種，考慮電路開關(guān)頻率較高（80kHz），所以LCD緩沖不可??；而采用有源箝位，箝位開關(guān)管要取很大電流定額，且變壓器初級有很大環(huán)流不利于提高效率，故有源箝位也不可用；RCD緩沖具有無源、電路簡潔的特點(diǎn)，如果參數(shù)調(diào)試合理不會對效率造成太大影響，故被實(shí)驗(yàn)樣機(jī)采用。

圖1    RCD緩沖單管反激式變換器電路拓?fù)?

2.2    控制方案

    反激變換器具有電流源性質(zhì)，開環(huán)不能開路，否則輸出電壓極高。作為靜止變流器的直流環(huán)節(jié)使用，當(dāng)后級逆變橋的四個(gè)功率管均關(guān)斷時(shí)，對前級的反激變換器輸出端就相當(dāng)于開路，因而必須采用電壓閉環(huán)控制；同時(shí)為提高電源的性能，采用電流型控制技術(shù)，這種電流電壓雙閉環(huán)控制使系統(tǒng)具有瞬態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定性高、內(nèi)在限流能力等優(yōu)點(diǎn)。

2.3    電路組成

    研制的1kW樣機(jī)電路，如圖2所示。整個(gè)電路的核心為UNITRODE公司的電流型PWM芯片UC3843N，該芯片原用于設(shè)計(jì)200W以下的小功率開關(guān)電源，這里將其變通使用。Q₁、Q₂構(gòu)成圖騰柱以增大驅(qū)動(dòng)能力，Q₃作射極跟隨器取出UC3843的鋸齒波，CT1取樣主開關(guān)管的電流信號，R₇、R₈將電流信號與鋸齒波相疊加作斜坡補(bǔ)償，以消除電流控制型調(diào)節(jié)器在占空比大于50％時(shí)固有的次諧波振蕩，R₇、R₈的比值可以決定斜坡補(bǔ)償?shù)纳疃取?i>R₁₃、D₆構(gòu)成基準(zhǔn)電壓源，Q₅為誤差放大管，光電耦合器U₃將誤差電壓反饋給UC3843N，構(gòu)成電壓閉環(huán)，同時(shí)保證電氣隔離。

圖2    原理樣機(jī)電路組成

3    關(guān)鍵電路參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1    儲能式變壓器

    設(shè)電流臨界連續(xù)時(shí)的功率為總輸出功率的1/5，則

    B_m=B（1）

式中：B_m為最大磁密；

      B為偏置點(diǎn)磁密。

    則磁密變化量ΔB為

          ΔB=2(B_m－B)（2）

    原邊匝數(shù)N₁為

        N₁=    （3）

式中：U_imin為最小輸入電壓；

      t_onmax為開關(guān)管最大導(dǎo)通時(shí)間； [!--empirenews.page--]

      S為磁芯截面積。

    電流臨界連續(xù)時(shí)原邊電感L_1min為

    L_1min=η（4）

式中：P_omin為臨界連續(xù)功率；

      T_s為開關(guān)周期；

             η為變換效率。

    儲能式變壓器磁芯氣隙δ為

        δ=（5）

式中：I_1p為原邊最大峰值電流；

             μ₀為真空的磁導(dǎo)率。

3.2    功率開關(guān)管

    開關(guān)管的電壓應(yīng)力U_DS和電流應(yīng)力I_1p分別為

        U_DS=U_imax＋U_o    (6.a)

        I_1p=I_1avg＋ΔI=t_onmax    (6.b)

式中：I_1avg為原邊電感電流平均值；

            ΔI為原邊電流脈動(dòng)值。

3.3    整流二極管

    二極管D₅的電壓應(yīng)力U_D5和電流應(yīng)力I_D5p分別為

    U_D5=U_i＋U_o(7.a)

    I_D5p=I_2p(7.b)

式中：I_2p為副邊最大峰值電流。

3.4    RCD箝位電路

    箝位電容C₆為

    C₆≥?（8）

式中：U_reset為箝位電容C₆的初始電壓；

      L_1K為變壓器原邊對副邊的漏感。

    箝位電阻R₃要滿足

    (U_DS－U_i)≥U_o（9）

式中：t_off為開關(guān)管的截止時(shí)間。

3.5    死負(fù)載R₁₀的選取

    由于空載時(shí)占空比非常小，且會引起間歇振蕩，需加上死負(fù)載，其值在調(diào)試中決定，在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，其阻值越大越好。

4    原理樣機(jī)試驗(yàn)

    設(shè)計(jì)實(shí)例：額定輸出功率1000W，輸入電壓27V，輸出電壓190V，開關(guān)頻率80kHz，儲能式變壓器磁芯R2KBDPM74，繞組匝數(shù)N₁/N₂=4/28，磁芯氣隙3.2mm，最大占空比為0.6，箝位電阻R₃為51Ω，箝位電容C₆為5.6μF，箝位二極管D₂為DSEI60-06，整流管D₅為DSEI30-10，死負(fù)載R₁₀取為10kΩ；電流互感器CT₁的匝比是1/250，磁芯采用Φ27超微金磁環(huán)。

    樣機(jī)試驗(yàn)波形如圖3所示，圖3（a）、（b）分別是空載時(shí)的開關(guān)管的電流波形和漏源電壓波形，其中電流波形是從取樣電阻R₆上測得；圖3（c）、（d）分別是滿載時(shí)的開關(guān)管的電流波形和漏源電壓波形。該電源從空載到滿載時(shí)，輸出電壓波動(dòng)小于1％U_o，說明電源的負(fù)載調(diào)整率是相當(dāng)高的。

CH1 5V CH2 25V M 5μ s CH1: u_gs CH2: i_d （ a） 空 載 功 率 開 關(guān) 電 流 波 形 [!--empirenews.page--]

CH1 5V CH2 100A M 5μ s CH1: u_gs CH2: uds （ b） 空 載 功 率 開 關(guān) 漏 源 電 壓 波 形

CH1 5V CH2 25V M 5μ s CH1: u_gs CH2: i_d （ c） 滿 載 功 率 開 關(guān) 電 流 波 形

CH1 5V CH2 100A M 5μ s CH1: u_gs CH2: u_ds （ d） 滿 載 功 率 開 關(guān) 漏 源 電 壓 波 形

圖3    原理樣機(jī)試驗(yàn)波形

5    結(jié)語

    反激式變換器完全可用于大功率場所，且具有體積小重量輕的優(yōu)點(diǎn)。研制成功的原理樣機(jī)具有功率密度高、穩(wěn)定性高、變換效率較高、內(nèi)在的過載與短路電流限制等綜合性能，在各種功率應(yīng)用場所有重要的應(yīng)用價(jià)值。