电流型控制反激DC/DC变换器的设计与实现

2011-05-23 20:10:56来源: 互联网 关键字:控制  设计  实现

摘要:介绍了一种大功率电流型控制反激DC/DC变换器设计实现,并提出了一种更简洁的储能式变压器的设计方法,设计并研制成功1kW27V/190V样机,具有过载短路能力强、体积小、重量轻等优点。

关键词:反激变换器;大功率;电流控制

 

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,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,R7R8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,R7R8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,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

          ΔB=2(BmB)(2)

    原边匝数N1

        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

    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=UimaxUo    (6.a)

        I1p=I1avgΔI=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=UiUo(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

    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

    (UDSUi)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。

关键字:控制  设计  实现

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0523/article_9079.html
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