電流型控制反激DC/DC變換器的設計與實現

摘要：介紹了一種大功率電流型控制反激DC/DC變換器的設計與實現，并提出了一種更簡潔的儲能式變壓器的設計方法，設計并研制成功1kW27V/190V樣機，具有過載短路能力強、體積小、重量輕等優點。

關鍵詞：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的變換結構，前級將輸入的27V直流電轉換為190V直流電，后級逆變環節將190V直流電變換為用電設備所需的115V/400Hz交流電。由于反激變換器具有電路拓撲簡潔、輸入電壓范圍寬、輸入輸出電氣隔離、體積重量小等優點，因而將其作為靜止變流器的前級電路拓撲，將會使整個靜止變流器的體積重量下降，以實現更高的功率密度。

2??? 電流型控制反激DC/DC變換器

2.1??? 功率電路

??? 因為輸入為低壓大電流，故選用單管反激式拓撲結構，如圖1所示。針對這一結構主功率開關上必須加緩沖電路，否則開關管關斷時漏感能量無處釋放，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，考慮電路開關頻率較高（80kHz），所以LCD緩沖不可取；而采用有源箝位，箝位開關管要取很大電流定額，且變壓器初級有很大環流不利于提高效率，故有源箝位也不可用；RCD緩沖具有無源、電路簡潔的特點，如果參數調試合理不會對效率造成太大影響，故被實驗樣機采用。

圖1??? RCD緩沖單管反激式變換器電路拓撲

2.2??? 控制方案

??? 反激變換器具有電流源性質，開環不能開路，否則輸出電壓極高。作為靜止變流器的直流環節使用，當后級逆變橋的四個功率管均關斷時，對前級的反激變換器輸出端就相當于開路，因而必須采用電壓閉環控制；同時為提高電源的性能，采用電流型控制技術，這種電流電壓雙閉環控制使系統具有瞬態響應快、穩定性高、內在限流能力等優點。

2.3??? 電路組成

??? 研制的1kW樣機電路，如圖2所示。整個電路的核心為UNITRODE公司的電流型PWM芯片UC3843N，該芯片原用于設計200W以下的小功率開關電源，這里將其變通使用。Q₁、Q₂構成圖騰柱以增大驅動能力，Q₃作射極跟隨器取出UC3843的鋸齒波，CT1取樣主開關管的電流信號，R₇、R₈將電流信號與鋸齒波相疊加作斜坡補償，以消除電流控制型調節器在占空比大于50％時固有的次諧波振蕩，R₇、R₈的比值可以決定斜坡補償的深度。R₁₃、D₆構成基準電壓源，Q₅為誤差放大管，光電耦合器U₃將誤差電壓反饋給UC3843N，構成電壓閉環，同時保證電氣隔離。

圖2??? 原理樣機電路組成

3??? 關鍵電路參數設計

3.1??? 儲能式變壓器

??? 設電流臨界連續時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為偏置點磁密。

??? 則磁密變化量ΔB為

????????? ΔB=2(B_m－B)（2）

??? 原邊匝數N₁為

??????? N₁=??? （3）

式中：U_imin為最小輸入電壓；

????? t_onmax為開關管最大導通時間；

????? S為磁芯截面積。

??? 電流臨界連續時原邊電感L_1min為

??? L_1min=η（4）

式中：P_omin為臨界連續功率；

????? T_s為開關周期；

???????????? 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為真空的磁導率。

3.2??? 功率開關管

??? 開關管的電壓應力U_DS和電流應力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為原邊電流脈動值。

3.3??? 整流二極管

??? 二極管D₅的電壓應力U_D5和電流應力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為開關管的截止時間。

3.5??? 死負載R₁₀的選取

??? 由于空載時占空比非常小，且會引起間歇振蕩，需加上死負載，其值在調試中決定，在系統穩定的前提下，其阻值越大越好。

4??? 原理樣機試驗

??? 設計實例：額定輸出功率1000W，輸入電壓27V，輸出電壓190V，開關頻率80kHz，儲能式變壓器磁芯R2KBDPM74，繞組匝數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。

??? 樣機試驗波形如圖3所示，圖3（a）、（b）分別是空載時的開關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）分別是滿載時的開關管的電流波形和漏源電壓波形。該電源從空載到滿載時，輸出電壓波動小于1％U_o，說明電源的負載調整率是相當高的。

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

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

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

圖3??? 原理樣機試驗波形

5??? 結語

??? 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點。研制成功的原理樣機具有功率密度高、穩定性高、變換效率較高、內在的過載與短路電流限制等綜合性能，在各種功率應用場所有重要的應用價值。