级联型航空静止变流器直流环节电路拓扑研究

　 （13）
　　开关管关断时　　

　　　 （14）
　　由上二式：　　　

　　　（15）

3.1.2　全波整流结构

　　如图4所示，当变压器的次级电压

为正时，

和变压器次级的上半线圈形成回路，

关断，同时电感电流感电流

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，电感电流分别经上半线圈、

和下半线圈、

续流。
　　在功率开关管导通时

　（16）
　　开关管关断时　　

　　　　　（17）
　　由上二式：　　　

　　　　 （18）

3.1.3　倍流整流结构

　　如图5所示，当变压器的次级电压

为正时，

关断，电感

的电流

增大并流经负载，

和变压器次级形成回路，同时电感

的电流

减小，它流经负载和

形成回路。当变压器次级电压

为负时，其过程也类似。而变压器的次级电压为零时，则电感

和

的电流分别流经

和

形成回路，即

和

同时导通。
　　在功率开关管导通时

　　（19）
　　开关管关断时　　　　

　　 （20）
　　由上二式：　　　　　

　　（21）

3.2　次级三种整流结构比较

3.2.1　输出滤波电感

　　全桥整流结构和全波整流结构中流过滤波电感的电流平均值等于输出电流平均值，而在倍流整流结构中，单个滤波电感上的电流是输全桥整流结构和全波整流结构中流过滤波电感的出电流平均值的一半。
　　全桥整流结构和全波整流结构中，输出滤波电感的电压频率是功率开关管的两倍，而倍流整流结构中，两个输出滤波电感的电压频率与功率开关管相同，同时由于输出电流纹波是两电感电流纹波的和，因此在要求相同输出电流纹波情况下，倍流整流结构中单个滤波电感的值是全桥和全波整流滤波电感的两倍。

3.2.2　变压器次级线圈匝数

　　由式（15）（18）（21）可知，在相同输入电压，相同初级线圈匝数和相同的开关管导通占空比下，要使得输出电压相同，全波整流结构和倍流整流结构的次级线圈总匝数是全桥整流结构的两倍。
　　同时由三种整流结构工作原理的分析可知，全桥整流结构和全波整流结构中变压器次级中电流均为倍流整流结构中变压器次级电流的2倍。

3.2.3　整流管最大电压应力

　　由于在相同输入电压，相同初级线圈匝数和相同的开关管导通占空比下，要得到相同的输出电压，全波和倍流整流结构的次级线圈匝数是全桥整流结构的两倍。因此全波和倍流两种整流方式中整流管的最大电压应力为全桥整流方式中2倍。但由于全桥整流方式中整流管的数目是其他两种整流方式的2倍，这就可能使得整流电路的导通压降的增加。

3.3　电路的适用性分析

　　全桥整流方式适用于输出高压场合。
　　全波整流方式适用于输出中低压场合。
　　鉴于倍流整流的独特结构，它尤其适用于输出低压大电流场合。由于倍流整流结构中的变压器和滤波电感可以公用一个磁芯，因此可简化元件的封装和减小体积。目前， 48V输入、1.2V/70A输出的变换器满载效率可达到85% 。

4 实验研究

　　1kVA新型航空静止变流器需要独立的四路48V直流电，因此直流变换环节的设计指标为：输出功率300W，输入电压为18—32VDC，输出电压为48VDC，开关频率为100kHz。
　　基于此指标设计了三种次级整流方式的直流变换器样机。三台样机的原边开关管

、

均采用IRFP150，原边箝位电容C为

，采用CL233型金属化聚酯膜介质电容器，变压器采用EE42铁芯，输出滤波电容为

，采用电压控制方式。
　　（1）全桥整流样机
　　变压器原副边变比为2：2：7电感为

；副边整流二极管选用DSEP30—03A。
　　（2）全波整流结构
　　变压器原副边变比为2:2:7:7；输出滤波电感为

；副边整流二极管选用DSEP30—06A。
　　（3）倍流整流结构
　　变压器原副边变比为2:2:14；输出滤波电感

；副边整流二极管选用DSEP30—06A。
　　由于三种副边整流方式对变换器的原边工作无影响，变换器的主要工作波形是相同的。图6、图7给出了推挽正激变换器变压器原边电流和箝位电容电压波形。实验波形与理论分析吻合，说明了样机设计参数的合理性。

通道1：变压器原边电流波形
　通道2：开关管驱动波形
图6 变压器原边电流波形

通道1：原边箝位电容电压波形
通道2：开关管驱动波形
图7原边箝位电容电压波形
　　表1和表2给出了三台样机分别在20V和28V输入和不同负载时的效率数据。
表1 样机实验数据（输入电压20V）

表2 样机实验数据（输入电压28V）

　　由表1和表2可见，对于新型航空静止变流器，直流变换器采用推挽正激全波整流电路可以得到最高的效率，在全部输入电压范围内，额定负载时效率可达到89%以上，达到了Vicor第二代电源模块的性能指标 。

5 结语

　　（1） 新型航空静止变流器中的低压大电流直流环节是影响其效率的关键因素。推挽正激变换器具有防止开关管的电压尖峰和抑制变压器偏磁的特点，是输入低压大电流场合的优选方案。
　　（2） 研制了推挽正激电路采用三种次级整流方式的直流变换器样机，采用全波整流结构可以达到最高的效率，样机的效率达到了Vicor第二代电源模块的性能指标。
　　（3） 本文的研究为实现航空静止变流器效率超过85%奠定了基础。
　　
参考文献

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[2]　　　Xunwei Z. Bo Y. Luca A. etal.　　A novel
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voltage regulator module------push-pull forward converter[J].　　IEEE Trans. On PE 1999,10(2): 279-283
[3]　　 Peng Xu , Mao Ye and Fred C. Lee　　 Single magnetic Push-Pull Forward converter featuring built-in
input filter and coupled-inductor current doubler for 48VVRM　 IEEE Trans. On PE 2002 9[4] 843-849
[4]　 24Vin/48Vout/400Watts DC-DC Converter Module http://www.Vicor.com/products/dataseets/2nd-gen/V24A48C400A.pdf