引言

由于衛星、飛船等航天設備的電源母線電壓主要為100V、42V等低壓段，相應的器件也主要集中在低壓等級且品類較少，不能滿足高壓輸入的要求，這對中電華星的電源工程師來說產生了一定的困難。為了降低開關管的電壓應力，工程師采用多電平直流變換器。隨著電平數的增加，箝位二極管和飛跨電容的數量也相應增加，而且飛跨電容電壓的檢測和控制也變得更加復雜。因此，據中電華星電源工程師介紹，對于輸入電壓等級較高的直流變換器，輸入串聯輸出并聯(ISOP，input series output paralle1)型的變換器結構得到了廣泛的應用。

ISOP型的變換器的特點是：單個變換器的輸入電壓減少至Vin／n(Vin為輸入電壓，n為模塊數目)，輸出電流減少至Io／n(，n為輸出電流)，由于電壓應力的減少，容易選擇功率器件功能，滿足高輸入電壓場合的需求；每個模塊只承擔Po／n的功率，便于單個模塊設計和系統設計；利用交錯控制技術能夠減少輸出電流紋波、減少輸出濾波器件體積和提高動態性能；使用低電壓等級的MOSFET，通態電阻非常小，可提高效率。但由于該變換器中兩個模塊的器件參數，如高頻變壓器、導通占空比以及輸入電容等器件參數不一致，將導致分壓電容不均壓。若不采取有效措施，會使開關管承受的反壓不一致，系統可靠性降低。因此該結構的關鍵技術是保證分壓電容均壓。

串聯分壓的控制方案有主從控制、雙環控制、三環控制等多種方式。這些控制方式優點是能精確控制輸入均壓，但也有諸多缺點：控制系統復雜，降低了電源整體可靠性；每個電源需要獨立的輔助電源，會導致電源的體積、復雜性增大。在輸入電容容量較小的情況下，采用上述串聯控制方式時會出現啟動不同步而拉偏分壓，導致無法正常工作的現象。要解決該問題只能增大輸入電容并引入電源同步信號。這會增大電源體積及復雜度。本文提出了以反激變換器作為組合式變換器的基本模塊，采用單芯片控制，同步驅動的方案，從拓撲的原理上實現了輸入串聯均壓。

1 電源基本結構及工作原理

反激變換器由于結構簡單、成本較低、可方便得到多路隔離輸出、性能可靠等優點，得到了廣泛的應用 。特別適合輸出中小功率電源的應用場合。

本文以反激變換器作為組合式變換器的基本模塊，各個模塊輸入串聯分壓，并聯輸出，采用一個芯片進行閉環控制，芯片發出的PWM經過隔離變壓器同步驅動每個模塊的MOSFET，此結構既保留了反激變換器簡單、可靠性高的優點，同時使原邊開關管只承受較低的輸入直流母線電壓，從而使得在高輸入電壓場合應用現有低壓MOSFET成為可能。電源結構示意圖如圖1所示。

該拓撲輸入由多個分壓電壓單元(分壓單元1~N)通過反激拓撲(包含反激變壓器TX1一TXn，功率開關管Q1～Qn)串聯，輸出通過二極管(D1～Dn)連接到一起，經過輸出濾波電容濾波后給負載供電。為保證均壓硬件上增加了均壓電阻R1～Rn，均壓電容C1～Cn構成的并聯網絡，進一步保護電源在高壓空載時不會出現分壓嚴重偏移的問題，電源輸人端增加了TVS1～ TVSn進行保護。

該拓撲的工作原理和優點如下：

① 由一個芯片控制。由一個驅動信號經隔離變壓器后同步驅動各個開關管，具有天然的均壓特性。因反激變換器的特性，每個電源的輸出電壓被箝位一致，每個MOSFET的驅動完全一致，在單個PWM周期內，假設其中模塊N的輸人電壓較高，則此模塊在該周期內必然會傳輸更多的能量，從而導致模塊輸入電壓降低，其余模塊的輸入電壓升高，從而保持了每個模塊輸入電壓的自然均壓。該均壓過程作用在每個開關周期內，保證了電源的實時均壓。

② 只需要一個啟動電路。因為原邊只有一個控制芯片，所以只需要一路啟動電源即可工作，所有串聯模塊采用同一路驅動信號開關動作，從而避免了因為啟動不同步而導致的不均壓問題。

③ 啟動、突加載均壓良好。電路本身固有的均壓特性保證了動態范圍內的輸入均壓，實驗數據也證實了理論分析的正確性，在空載啟動、滿載啟動、100％ 負載切換等狀況下電源的各個模塊均壓特性良好。

④ 電源結構簡單可靠。電源實現方式簡單，器件少，可靠度高。由于輸出并聯帶來的單個電源模塊的功率降低，散熱面積增大，電源溫升更小，增加了電源的可靠性。

該方案從拓撲原理上根本解決了分壓不均的問題，在每個開關周期內模塊之間自動均壓，調節速度快。在電源空載或者短路時，因電源無輸出功率，均壓主要通過均壓電阻控制。為進一步保護電源在高壓空載時不會出現分壓嚴重偏移的問題，電源又增加了一級TVS保護，保證每個電源單元最大輸入電壓不超過設定值，而空載功耗很小，所以即使出現單個模塊輸入電壓超過設定值，TVS動作只需要極小的放電電流即可完成調整。

2 電源仿真及實驗驗證

為驗證理論的正確性，以輸入兩個模塊串聯輸出兩個并聯為例搭建了基于SIMPLIS的仿真模型，仿真原理圖如圖2所示。其中TX1、D1、Q1以及PWM1組成分壓單元1，TX2、D2、Q2以及PWM2組成分壓單元2。

輸入電壓設定為2000 V，采用兩級模塊分壓，驅動采用同樣參數的PWM模塊，模擬實際中的變壓器同步驅動，變壓器匝比為70：8，原邊電感量為2．5mH，占空比設定為10％ 。Q1與Q2耐壓大于2000V，D1與D2耐壓600 V。

用仿真模型分別仿真了輸出短路、輸出空載、輸出滿載等工況，圖3為輸出滿載工況下兩個均壓模塊的輸出電壓及兩者之間的偏差電壓。模塊1與模塊2的輸出電壓 。V1、V2的有效值均為1000 V，偏差(Vo)小于1V，結果表明兩個均壓模塊實現了良好的均壓效果，證明該方案的良好特性。

根據該方案設計一款高壓輸人電源，電源參數為：輸入電壓2000 V；輸出電壓12 V；輸出功率50 W；磁芯PQ3230；變壓器匝比70：8；原邊電感2．5 mH。

分別在空載啟動、滿載啟動、輸出負載切換、輸出短路等各種工況對電源進行了測試，測試在各種不同工況下，模塊單元1和單元2輸入電壓V1 、V2 的變化情況。實驗結果如圖4～圖8所示。可以看出在電源工作正常時均壓效果良好，只是在短路狀況下均壓才有偏差，大偏差為120 V左右，完全滿足規格要求。

3 結束語

通過理論分析、仿真分析及實驗驗證，中電華星電源工程師采用的基于反激拓撲的單芯片控制輸入串聯均壓拓撲具有以下特點：① 從拓撲的原理上實現了串聯模塊之間的均壓，均壓效果良好；② 該方案器件少，簡單可靠，具有較好的工程應用前景。