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电流型控制反激DC/DC变换器的设计与实现

作者：轻轻红过　栏目：电源技术

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DC27V/DC190V/AC115V400Hz的变换结构，前级将输入的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，因而将其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
2.1    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须加缓冲电路，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，如果参数调试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
2.2    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，因而必须采用电压闭环控制；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。
2.3    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.html">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.html">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
3.1    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
    Bm=B （1）
式中：Bm为最大磁密；
      B为偏置点磁密。
    则磁密变化量ΔB为
          ΔB=2(Bm－B)（2）
    原边匝数N1为
        N1=     （3）
式中：Uimin为最小输入电压；
      tonmax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L1min为
    L1min= η（4）
式中：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δ为
        δ= （5）
式中：I1p为原边最大峰值电流；
             μ0为真空的磁导率。
3.2    功率开关管
    开关管的电压应力UDS和电流应力I1p分别为
        UDS=Uimax＋ Uo    (6.a)
        I1p=I1avg＋ ΔI= tonmax    (6.b)
式中：I1avg为原边电感电流平均值；
            ΔI为原边电流脉动值。
3.3    整流二极管
    二极管D5的电压应力UD5和电流应力ID5p分别为
    UD5= Ui＋Uo(7.a)
    ID5p=I2p(7.b)
式中：I2p为副边最大峰值电流。
3.4    RCD箝位电路
    箝位电容C6为
    C6≥ （8）
式中：Ureset为箝位电容C6的初始电压；
      L1K为变压器原边对副边的漏感。
    箝位电阻R3要满足
    (UDS－Ui) ≥ Uo（9）
式中：toff为开关管的截止时间。
3.5    死负载R10的选取
    由于空载时占空比非常小，且会引起间歇振荡，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R2KBDPM74，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。

CH1 5V CH2 25V M 5μ s CH1: ugs CH2: id （ a）空载功率开关电流波形

CH1 5V CH2 100A M 5μ s CH1: ugs CH2: uds （ b）空载功率开关漏源电压波形

CH1 5V CH2 25V M 5μ s CH1: ugs CH2: id （ c）满载功率开关电流波形

CH1 5V CH2 100A M 5μ s CH1: ugs CH2: uds （ d）满载功率开关漏源电压波形
图3    原理样机试验波形
5    结语
    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。
作者简介
    刘剑（1973－），男，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。

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