一种低漂移对称大功率高压直流变换器的设计

在UPS电源或DC／AC变换器设计中，需要正负对称的直流高压，该电压经逆变器后获得50 Hz(或其他频率)的正弦电压。为保证负载和变换器本身可靠工作，要求输出交流电压的直流分量足够小，因此获得高度平衡对称的直流高压是减小直流分量的必要条件。详细介绍了一种对称的大功率高压直流变换器技术方案，它通过对称Boost变换器和脉冲变压器采样反馈技术实现了低漂移、大功率、宽输入范围、输出不平衡度很小的直流高压。详细描述了主要参数的设计方法，最后给出了测试结果。

1 引言
在UPS或DC／AC设计中，需将输入220 V交流电压或蓄电池电压转换为±375 V的直流电压，然后交流变换器将直流电压变换为220 V／380 V，50 Hz的正弦交流电压，这种交流电压往往会产生直流分量。交流电压的直流分量对感性负载和变换器本身具有极大的危害；它一方面容易使磁性器件产生偏磁饱和，另一方面可使变换器本身过载损坏。这种直流分量在10 s内应小于均方根值的0．1％，这就要求变换器的输入直流电压不对称偏差不大于交流输出有效值的0．314％。为此，需设计一个低漂移、高度对称的高压大功率直流升压变换器。

2 升压变换器方案选择
实现高频大功率升压变换器的典型方法有推挽、半桥、全桥和Boost变换等几种方法。推挽、半桥和全桥拓扑的共同缺点是：①它们都需要一个升压变压器，次级又需两个对称的升压绕组。由于功率大，除了制造困难和体积大外，还会增加漏感，漏感会产生很大du／dt，对功率器件的安全工作和EMI产生不利影响；②电路不能实现正、负对称输出。由于输出绕组不能做到完全对称，而控制电路又不能对输出电压进行单独控制，故正负电压必然产生误差；半桥电路的初级电压由电容分压取得，更不易保证对称输出。另外，全桥电路驱动复杂，成本高，损耗大；③可能发生磁性器件阶梯性饱和，威胁功率器件的可靠工作。
对称Boost变换器完全采用电子电路，虽然不能做到电路参数和输入电压的完全对称，但由于有两个相互独立的采样、反馈控制回路，使输出电压的平衡性不受电路元件参数离散性影响。

3 采样反馈方案选择
3．1 线性光耦采样反馈电路
线性光耦是低压开关电源常用的隔离反馈器件，以其价格低廉和电路简单得到普遍应用。然而其稳定性和精度不适合要求较高的场合。光电隔离器传输特性如图1所示，可见，电流传输比Di在if为5 mA，10 mA时分别约为1，0．67(uce=5 V)，同时uce的变化对其他参数也有较大影响；当温度从0～50℃变化时，Di从1．05变为0．9。实验结果证明，由于其参数的离散性、时间和温度的变化引起的不平衡度会增加到5．6％，因此光耦不适合高压隔离取样。

3．2 幅度调制隔离取样反馈
该方法是将采样电压进行调幅，产生一个幅度随采样电压变换的方波信号，再驱动变压器或光耦，其典型电路如UC3901。该方法较适用于低压开关电源隔离，因芯片的供电电源可直接由输出电源提供。对于高压变换器，此方法不宜采用。
3．3 脉冲变压器采样反馈
该方案采用脉冲变压器采样反馈电路。它用一个固定频率、固定脉宽的降压变换器，直接将输出高压变换为脉冲幅度调制的低压信号。这种方法制作一致性好，温度漂移极小(磁性材料的温度范围宽)、带宽宽(磁性材料工作频率高)、体积小、价格低廉．是保证输出电压低漂移、高度平衡对称的有效方法。

4 对称高压变换器电路原理
对称高压直流变换器电路原理如图2所示。

它由上下对称的两个Boost变换器构成。Uin1，L1，VT3，VD3，C1构成正电压变换器，PWM1，T3等构成正电压反馈控制电路。振荡驱动电路产生固定频率和脉宽的脉冲信号，这样取样的信号完全无失真地反映了输出电压的瞬时变化。为保证输出电压低的温度漂移，一个高精度、低漂移的电压参考源给PWM1和PWM2供电是必要的。

5 主要元件参数设计
5．1 升压电感设计
电感量L1，L2计算式为：


式中：Uinmin为输入电压最小值，Uinmin=208 V；f为工作频率，f=20 kHz；IL为电感的平均电流；k为电感电流的纹波系数；Dmax为最大占空比，Dmax=1-Uinmin／Uo=0．45。

在式(1)中，影响电感量的关键参数是k的选择。它不仅影响电流的连续性，而且影响电感的体积和成本。k越小，储能和体积同时增大；反之，储能和体积同时减校所以该系数具有一个优选值。该系统输出功率12 kW，所以正、负变换器各输出功率为6 kW，电流Io=17 A，IL=29 A，ILPK=IL+△iL／2分别取k为0．2，0．25，0．3，0．4，0．5，则L分别为806μH，646 μH，538μH，403μH，323μH。这些电感能否满足贮存能量的要求，还需