一种低漂移对称大功率高压直流变换器的设计

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，还需要核算。根据，可得各电感贮存的能量依次为：8．2 kW，6．88 kW，5．98 kW，4．88 kW，4．24 kW。由此可知：k取0．2过大，使电感体积和成本增加，取0．3不满足输出功率要求，取0．25满足输出功率要求。
5．2 磁芯选择与核算
为保证电感在空载到满载情况下电感量的稳定和电感系数比较大，选择铁基磁粉芯作为线圈载体。考虑到材料的温度特性，工作磁通密度应选择在0．4Bs。这里用面积乘积法选择磁性器件：


式中：LI2=2x344 W·S；Bw=0．6 T；Ku为窗口系数；K为铁粉心电流密度比例系数。
填充系数通常选择在0．25～0．45范围内，典型值为0．4。系数越小，体积和成本增加，系数越大，绕制难度增加，且可能造成磁场强度增加，使磁导率快速下降，因此需要反复核算。这里取典型值：Ku=0．4，Kj=403 A／cm4，代入式(2)得：AP=129 cm4。初选磁性材料型号为H125-640，参数为ur=125，AwAe=42．58 cm4，考虑裕量，选4块磁芯可满足要求。4块磁芯并联，匝数，直流磁场强度：H=NI／Le=53．76 Oe，查材料磁导率和直流偏磁曲线，如图3所示。由图3曲线可知：此时材料的相对磁导率约降为原来的60％，所以在此状态下线圈总电感量。

故需要重新修正线圈匝数。由电感方程式可得修正线圈匝数为：。查曲线得修正后磁导率的下降系数约为0．48，电感L=546μH。工作磁通的核算如下：Bw=0．6uruoNI／Le=4．14×103Gs。
可见，工作磁通密度远未达到该型号的最大值1．5 T，所以工作于安全区，但电感量未能达到设计要求。原因是直流偏磁造成相对磁导率下降过快。如果继续增加电感匝数，由于磁场强度增加，使磁导率进一步下降。虽然当增加到一定数量时可以满足电感量的要求，但磁通密度、窗口系数及铜耗又不能满足设计求。为此需要重新修改设计。修正参数，重复以上计算(略)，结果为：Ku=0．3，AP=179 cm4，Bw= 4.27×103Gs，N=28。磁芯个数5块，L=662μH。
5．3 滤波电容选择
滤波电容选择主要依据纹波电压和纹波电流。纹波电流对电解电容的主要影响是发热，电容的等效串联电阻必须满足温升要求。电容容量为：


查元件表可知，1 000μF电容纹波电流仅为4．7 A，为保证可靠性，需对电容值进行修正，以满足纹波电流要求。修正后电容参数2x15 00μF，其纹波电流为12．8 A，满足设计要求。

5．4 IGBT选择
IGBT参数选择不仅要考虑电感支路流入的最大电流，还要考虑整流二极管的反相恢复电流，这两个电流(将脉冲电流换算为有效值)和需满足IGBT的电流降额。集电极的额定电流可表示为：ICr≥(ICrms+Idr_rms)／βef=125A(与工作频率有关)。据此可选择600V／150A的IGBT。
5．5 采样电路设计
采样变压器要求脉冲上升和下降时间短，输出包络检波充放电时常数合适，这样才能保证采样波形完全不失真地反映输出直流电压的变化。

6 实验与测试结果
通过电网电源倍压整流产生的直流电压对该电路进行测试。图4a为输入交流电压242 V空载时输出直流电压波形，图4b为输入交流电压194．5 V重载时输出直流电压波形。测试结果表明，空载和重载情况下，正、负母线电压偏差几乎为零；最大输出功率为13 kW；温度与时间漂移产生的正负电压不平衡度不大于0．27％。

7 结论
该电路可以实现功率13 kW、额定对称输出±375 V的直流电压；采样线性度、温度和时间漂移特性优良，应用于交流变换器可有效降低直流分量；该电路可实现更高输出电压的控制，还可用作大功率高压、高精度直流稳压电源。