级联型航空静止变流器直流环节电路拓扑研究

1 引言

　　静止变流器是飞机供电系统的一个重要组成部分,用于将28V直流电变换为400Hz交流电，由于输入电压低，航空静止变流器的效率一般不超过80%。为实现静止变流器的模板化和高效率，提出了级联型航空静止变流器方案 ，由四台逆变桥的输出级联得到系统输出，对应由四台高频直流变换器提供四台逆变桥所需要的隔离直流电源。由于级联逆变器采用低压功率场效应管和低开关频率，具有很高的效率，因此新型航空静止变流器的效率主要取决于直流变换环节。
　　1kVA新型航空静止变流器的直流环节的设计功率为300W，输入为18—32V，输出为48V，输入电压低、电流大。在输入低压大电流应用场合，推挽电路和单端正激电路是两种可选方案。但推挽电路存在变压器铁芯偏磁、开关管关断时漏感能量在开关管上引起高的电压尖峰等问题。正激电路变压器为单向磁化，磁芯利用率低，同时还需要附加去磁电路，使电路变得复杂。一种新的电路拓扑——推挽正激电路 ，集中了正激电路和推挽电路的优点，同时克服了二种电路的缺点，具有：a）抑制变压器的铁芯偏磁；b）变压器磁芯双向磁化；c）抑制开关管两端的关断电压尖峰等优点，是新型航空静止变流器直流环节的优选电路方案。
　　本文首先介绍了推挽正激变换器的工作原理，然后分析了推挽正激电路的三种副边整流结构，最后通过实验比较，得出了适用于新型航空静止变流器的直流变换器方案。

2 推挽正激变换器工作原理分析

　　图1为副边采用全桥整流结构的推挽正激变换器。该变换器的两个开关管和两个变压器初级交替连接成一个回路，在回路两个相对的中点之间接有一个电容，另两个点接电源。两个初级有相同的匝数。D1, D2是场效应功率晶体管的体二极管。
　　如图1所示，输入电源、电容C、开关管

和

组成一个回路。电容C的电压

等于输入电压

。

图1 推挽正激电路图
　　该回路满足等式：

　　　　　　　(1)
　　因为开关管两端电压 ，　0（若电压反偏，则体二极管导通，电压被钳位在零），所以开关管两端电压的 最大值为两倍的输入电压。图2所示为其稳态时工作原理波形。

图2 工作原理波形
　　（1）工作模态1，t1－t2期间
　　开关管VQ1导通，VQ2关断。这期间电容上电压是输入电压，当VQ1导通时电源电压加在W1上，电容电压

加在W2上，这时初级相当于两个正激电路并联。
　　流过初级W1的电流

等于：

　　　（2）　　　　　　　　　　　
　　流过初级W2的电流

等于：

　　　（3）　　　　　
　　流过开关管的电流

等于：

　　　　（4）　　　　　　　　　　　　　　　
　　输入电流

等于：

（5）　　　　　　　　　　　　　　
　　式中：

——负载电流
　　　　　

——磁化电流
　　　　　

——漏感平均电流
　　漏感电流的值由占空比和空载电流决定，N为变压器次级线圈和初级线圈的变比。
　　输入电流的峰值与1/2负载电流成正比。当开关管VQ1关断时，此模态结束。
　　（2）工作模态2，t2－t3期间
　　这期间变压器漏感电流释放。由式（2）、式（3）可知，在t1－t2期间，

一直大于

，VQ1关断时，因为

大于

，VQ2的体二极管导通，为漏感电流提供释放回路。
　　在t2时刻，

和

分别为：

　 (6)

　 (7)
　　式中

磁化电感
　　此期间，输入电压

在W2上，电容电压

在W1上，释放漏感上的能量。当

、

相等时，此模态结束。整个期间，

被钳位在2倍输入电压，

为零。此模态的时间长度为：

　 （8）
　　式中

——初级漏感（设两漏感相等）
　　（3）工作模态3，t3－t4期间
　　在这期间，VQ1和VQ2都关断。设电容C上的电压为稳定的输入电压

(电容取足够大)。漏感电流经过电源、W1、C和W2,由于电源电压和电容电压相等，漏感电流保持不变。当开关管VQ2导通时此模态结束。
　　（4）工作模态4，t4－t5期间
　　t4时刻W1和W2的漏感电流相等,当开关管VQ2导通时，此期间电源电压加在W2上，电容电压加在W1上，流过开关管的电流

、

为：

　　　 (9)

　　　 (10)

　　(11)　　　　　　　　　　
　　此模态的持续时间是：

　 (12)
　　下半个开关周期的工作模态和上半个周期基本相同，不再赘述。

3 推挽正激变换器的三种次级整流电路分析

3.1 三种次级整流电路的工作原理分析

图3 全桥整流结构与波形图

图4 全波整流结构与波形图

图5 倍流整流结构与波形图
　　图3、4、5分别为适用于推挽正激电路的三种输出整流结构：全桥整流结构、全波整流结构和倍流整流结构。

3.1.1 全桥整流结构

　　如图3所示，当变压器的次级电压

为正时，

、

和变压器次级形成回路，

、

关断，同时电感电流

增大并流经负载。当变压器的次级电压

为负时，其过程也类似。当变压器次级电压

为零时，

、

和

、

同时导通，对电感电流进行续流。
　　在功率开关管导通时