1KW 27VDC/190VDC 电流型控制反激DC/DC变换器的设计与实现

1、引言

静止变流器一般采用27VDC/190VDC/115VAC 400Hz的变换结构，前级将输入27V直流电转换为190V直流电，后级逆变环节将190V直流电变换为用电设备所需的115V/400Hz交流电。由于反激变换器具有电路拓扑简洁、输入电压范围宽、输入输出电气隔离、体积重量小等优点，因而作为静止变流器的前级电路拓扑，将会使整个静止变流器的体积重量下降，以实现更高的功率密度。


2、电流型控制反激DC/DC变换器

（1）功率电路

　　因为输入为低压大电流，故选用单管反激式拓扑结构，如图1所示。针对这一结构主功率开关上必需加缓冲电路，否则开关管关断时漏感能量无处释放，将会引起电压尖峰击穿功率管。常用的缓冲电路有LCD、RCD和有源箝位三种，考虑电路开关频率较高（80kHz），所以LCD缓冲不可取；而采用有源箝位，箝位开关管要取很大电流定额，且变压器初级有很大环流不利于提高效率，故有源箝位也不可用；RCD缓冲具有无源、电路简洁的特点，如果参数调拭合理不会对效率造成太大影响，故被实验样机采用。

图1 RCD缓冲单管反激式变换器电路拓扑

（2）控制方案

　　反激变换器具有电流源性质，开环不能开路，否则输出电压极高。作为静止变流器的直流环节使用，当后级逆变桥的四个功率管均关断时，对前级的反激变换器输出端就相当于开路，因而必需采用电压闭环控制；同时为提高电源的性能，采用电流型控制技术，这种电流电压双闭环控制使系统具有瞬态响应快、稳定性高、内在限流能力等优点。

（3）电路组成

　　研制的1KW样机电路，如图2所示。整个电路的核心为UNITRODE公司的电流型PWM芯片UC3843N，该芯片原用于设计200W以下的小功率开关电源，这里将其变通使用。Q1、Q2构成图腾柱以增大驱动能力，Q3作射极跟随器取出UC3843的锯齿波，CT1取样主开关管的电流信号，R7、R8将电流信号与锯齿波相叠加作斜坡补偿，以消除电流控制型调节器在占空比大于50%时固有的次谐波振荡，R7、R8的比值可以决定斜坡补偿的深度。R13、D6构成基准电压源，Q5为误差放大管，光电耦合器U3将误差电压反馈给UC3843N，构成电压闭环，同时保证电气隔离。

图2原理样机电路组成


3、关键电路参数设计

（1）储能式变压器

　　设电流临界连续时的功率为总输出功率的1/5，则

　　　　　　　　(1)
　　式（1）中，Bm为最大磁密，B为偏置点磁密，则磁密变化量为

　　　　　(2)
　　原边匝数为

　　　　 (3)
　　式（3）中，Ui min为最小输入电压，Ton max为开关管最大导通时间，S为磁芯截面积。电流临界连续时原边电感

　　　　 (4)
　　式（4）中，Pomin为临界连续功率，Ts 为开关周期，η为变换效率。
储能式变压器磁芯气隙为

　　　　 (5)
　　式（5）中，I1p 为原边最大峰值电流，μ0为真空的磁导率。

（2）功率开关管

　　开关管的电压应力和电流应力分别为

式（6.b）中，I1avg为原边电感电流平均值，#8710;I为原边电流脉动值。

（3）整流二极管

　　二极管D5的电压应力和电流应力分别为

（4）RCD箝位电路

　　箝位电容C6为

　　　　 (8)
　　式（8）中，Ureset为箝位电容C6的初始电压。
　　箝位电阻R3要满足

　　　　　(9)
　　式（9）中，Toff为开关管的截止时间。

（5）死负载R10的选取

　　由于空载时占空比非常小，且会引起间隙振荡，需加上死负载，其值在调试中决定，在系统稳定的前提下，其阻值越大越好。


4、原理样机试验

　　设计实例：额定输出功率1000W，输入电压27V，输出电压190V，开关频率80kHz，储能式变压器磁芯R2KBD PM74，绕组匝数N1/N2=4/28，磁芯气隙3.2mm，最大占空比为0.6，箝位电阻R3为51Ω，箝位电容C6为5.6μF，箝位二极管D2为DSEI60-06，整流管D5为DSEI30-10，死负载R10取为10kΩ；电流互感器CT1的匝比是1/250，磁芯采用Φ27超微金磁环。

　　样机试验波形如图3所示，图3（a）、（b）分别是空载时的开关管的电流波形和漏源电压波形，其中电流波形是从取样电阻R6上测得；图3（c）、（d）分别是满载时的开关管的电流波形和漏源电压波形。该电源从空载到满载时，输出电压波动小于1%Uo，说明电源的负载调整率是相当高的。

5、结论

　　反激式变换器完全可用于大功率场所，且具有体积小重量轻的优点；研制成功的原理样机具有功率密度高、稳定性高、变换效率较高、内在的过载与短路电流限制等综合性能，在各种功率应用场所有重要的应用价值。


参考文献：

[1] 陈道炼.高频环节航空静止变流器研究[博士后研究工作报告].南京航空航天大学.2001

[2] Unitrode’s Product Application Handbook.1995~1996