摘要:介绍了一种大功率电流型控制反激DC/DC变换器的设计与实现,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,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,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。 |
电流型控制反激DC/DC变换器的设计与实现
- 变换器(108177)
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2021-09-18 11:07:0326
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