新型的高壓輸入DC/DC小功率變流器
在一些特殊場(chǎng)合，需要將高輸入電壓（如1kV以上）變?yōu)榈洼敵鲭妷汗┙o輔助電源等設(shè)備，因此需要選用能滿足高輸入電壓工況的DC/DC變流器。由于MOSFET的耐壓等級(jí)大都在1000V以下，IGBT耐壓等級(jí)雖然較高但用在小功率場(chǎng)合顯然不經(jīng)濟(jì)，因此用傳統(tǒng)的DC/DC變換電路實(shí)現(xiàn)有一定難度。
三電平軟開關(guān)DC/DC變流器，其主開關(guān)器件的電壓應(yīng)力為輸入電壓的一半。但它在輕載和高輸入電壓情況下不能實(shí)現(xiàn)零壓開通，控制復(fù)雜，且其副邊二極管要承受較大的電壓尖峰，選擇較為困難。亦有文獻(xiàn)提出采用開關(guān)管直接串聯(lián)技術(shù)，以提高輸入電壓的等級(jí)，但由于開關(guān)管特性不可能完全一致，因此存在多管串聯(lián)同步問(wèn)題。
本文采取模塊化設(shè)計(jì)，利用基本模塊在輸入側(cè)串聯(lián)的方法解決直流輸入電壓高于開關(guān)管最高耐壓的矛盾。且在不增加控制復(fù)雜度的前提下，適當(dāng)選取輸入側(cè)串聯(lián)模塊的級(jí)數(shù)，便可使輸入電壓高到幾千伏甚至上萬(wàn)伏。
1 電路結(jié)構(gòu)及工作原理
1.1 基本模塊介紹
圖1給出了基本模塊的結(jié)構(gòu)，基本模塊由一半橋DC/DC變換電路及其驅(qū)動(dòng)電路兩部分構(gòu)成。
圖1 基本模塊結(jié)構(gòu)
為了便于增加輸入側(cè)基本模塊的串聯(lián)級(jí)數(shù)，每個(gè)基本模塊均由相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)芯片控制，驅(qū)動(dòng)芯片由基本模塊自身供電，靠其自振蕩產(chǎn)生半橋電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
采取50％恒占空比控制，為了避免半橋電路中橋臂的直通，應(yīng)在其開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)中加入一死區(qū)時(shí)間，其具體值由開關(guān)器件的開關(guān)特性決定。
1.2 主電路拓?fù)?
主電路采取3個(gè)基本模塊在輸入側(cè)串聯(lián)，輸出側(cè)并聯(lián)的方式，其拓?fù)淙鐖D2所示。
圖2 主電路拓?fù)?/font>
1.3 均壓均流原理分析
從主電路拓?fù)鋪?lái)看，輸入級(jí)由3個(gè)半橋結(jié)構(gòu)的橋臂電容C1～C6串聯(lián)起來(lái)承受輸入電壓Vin，因此不可避免地存在電容的均壓?jiǎn)栴}；而輸出級(jí)由三組整流橋并聯(lián)起來(lái)共同對(duì)負(fù)載供電，故而存在均流問(wèn)題。本電路靠輸出電壓VOUT在3個(gè)變壓器原邊的折算值對(duì)橋臂電容的箝位作用來(lái)實(shí)現(xiàn)均壓，在電壓均衡的基礎(chǔ)上自動(dòng)均流。
1.3.1 均壓原理分析
電路未起動(dòng)時(shí)，靠電阻R1～R6實(shí)現(xiàn)靜態(tài)均壓。
電路正常工作時(shí)，3個(gè)基本模塊同時(shí)向負(fù)載供應(yīng)能量。如果模塊1由于變壓器輸出電壓值偏低而使4個(gè)整流二極管均處于反偏狀態(tài)，則模塊2和模塊3將向負(fù)載提供更多的能量而其承擔(dān)的電壓下降，模塊1承擔(dān)的電壓相應(yīng)升高，從而促使使其整流橋?qū)ǎ_(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時(shí)它們共同向負(fù)載提供能量。
理想情況下，認(rèn)為副邊整流二極管的導(dǎo)通壓降相同，3個(gè)變壓器為參數(shù)一致的理想變壓器。下面以模塊2為例，分析半橋電路工作時(shí)橋臂電容電壓的變化情況。
當(dāng)S3導(dǎo)通S4關(guān)斷時(shí)，等效電路如圖3（a）所示，電源電流i通過(guò)S3－T2－C4流通，該電流在對(duì)后級(jí)供能的同時(shí)對(duì)電容C4充電；而電容C3通過(guò)C3－S3－T2－C3以電流i3放電向后級(jí)供能。因此，此種情況下電容C3電壓下降而電容C4電壓上升。同樣分析可知，當(dāng)S3關(guān)斷S4導(dǎo)通時(shí)電容C3電壓上升而電容C4電壓下降。
（a）理想等效電路 （b）實(shí)際等效電路
圖3 S3導(dǎo)通S4關(guān)斷時(shí)等效電路
當(dāng)S3導(dǎo)通時(shí)，如果電容C3上的電壓偏高，它會(huì)以較大的電流i3放電，向后級(jí)供應(yīng)較多的能量，使其電壓降低；反之如果電容C3上的電壓偏低，則它以較小的電流i3放電，向后級(jí)供應(yīng)較少的能量，使其電壓升高。達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，電容C3電壓的有效值被箝位于Vp，其瞬時(shí)值圍繞Vp上下波動(dòng)，Vp是輸出電壓VOUT折算到變壓器原邊的電壓，由式（1）決定。
當(dāng)電路正常工作時(shí)，3個(gè)基本模塊的輸出均箝位于同一輸出電壓VOUT，故3個(gè)變壓器的原邊折算電壓相等，均為Vp。當(dāng)開關(guān)管Sn導(dǎo)通時(shí)，電壓Vp對(duì)電容Cn上的電壓進(jìn)行箝位，使其瞬時(shí)值圍繞Vp上下波動(dòng)，有效值為Vp，此時(shí)Vp=Vin/6。
而在實(shí)際電路中，變壓器存在漏感和繞線電阻，圖3（b）給出了S3導(dǎo)通S4關(guān)斷時(shí)模塊2的等效電路，其中Ls表示變壓器漏感，r1和r2分別表示變壓器原、副邊繞組繞線電阻，Vp為理想變壓器的原邊折算電壓。同理，各個(gè)橋臂電容電壓的有效值均被箝位于Vp，但此時(shí)Vp和變壓器副邊繞組繞線電阻r2和模塊2的輸出電流iO2有關(guān)，即
實(shí)際電路中，整流二極管的導(dǎo)通壓降，變壓器的原副邊匝數(shù)和副邊繞組繞線電阻都會(huì)對(duì)均壓效果產(chǎn)生較大的影響。只要嚴(yán)格控制這些參數(shù)，便可取得良好的均壓效果。
1.3.2 均流原理分析
3個(gè)基本模塊輸入級(jí)的半橋單元為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，當(dāng)它們承擔(dān)的電壓相同時(shí)，必定向后級(jí)供應(yīng)相同的能量。當(dāng)3個(gè)基本模塊的效率相同時(shí)，它們輸出的能量也應(yīng)相同。而3個(gè)基本模塊輸出級(jí)的全橋整流單元均箝位于同一輸出電壓VOUT，故3個(gè)模塊向負(fù)載提供的電流相同?？梢?jiàn)，在電壓均衡的基礎(chǔ)上，本電路可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)均流。
另外，由于本拓?fù)洳淮嬖诃h(huán)流通路，所以，即使在3路電流略有不均的情況下也不會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。
1.4 起動(dòng)過(guò)程分析
實(shí)際電路中3個(gè)基本模塊的器件性能和元件參數(shù)的不一致性，使得當(dāng)輸入電壓Vin逐漸上升時(shí)，3個(gè)基本模塊很難做到同時(shí)起動(dòng)。
在3個(gè)基本模塊均未起動(dòng)時(shí)，由于電阻R1～R6的靜態(tài)均壓作用，使得3個(gè)基本模塊承擔(dān)的電壓相同。如果某一時(shí)刻，模塊1已起動(dòng)，但模塊2和模塊3還均未起動(dòng)，模塊1承擔(dān)的電壓將因其向后級(jí)供能而降低，模塊2和模塊3承擔(dān)的電壓則相應(yīng)提高，從而逐一啟動(dòng)。由于控制芯片有UVLO滯環(huán)控制，首先起動(dòng)的模塊1將不會(huì)因其承擔(dān)的電壓降低而停止工作。
2 仿真與實(shí)驗(yàn)
2.1 仿真結(jié)果及分析
為了驗(yàn)證均壓原理的正確性，用Sable仿真軟件對(duì)圖2所示的拓?fù)溥M(jìn)行了仿真。仿真模型中，橋臂電容C1～C6均為22μF，整流二極管正向?qū)▔航禐?.76V，輸入電壓Vin為1000V，輸出功率50W。圖4給出的仿真結(jié)果，各曲線從上到下分別表示電容C1～C6的“＋”端和直流負(fù)母線之間的電壓。
（a）變壓器參數(shù)一致 （b）變壓器參數(shù)不一致
圖4 變壓器原副邊匝比對(duì)均壓影響的仿真結(jié)果
圖4（a）為3個(gè)基本模塊變壓器參數(shù)一致，原邊匝數(shù)均為75匝，副邊匝數(shù)均為112匝時(shí)的仿真結(jié)果；圖4（b）為基本模塊1變壓器副邊匝數(shù)偏小10％，即副邊匝數(shù)為101匝時(shí)的仿真結(jié)果。可見(jiàn)，變壓器原副邊匝比對(duì)均壓性能影響明顯，變壓器原副邊匝比偏大的模塊，其橋臂電容承擔(dān)的電壓較大。圖4（a）對(duì)應(yīng)的仿真輸出電壓為247.32V，圖4（b）對(duì)應(yīng)的仿真輸出電壓為238.61V，可以驗(yàn)證，各電容承擔(dān)電壓的仿真值與理想情況下的理論分析結(jié)果〔按式(1)得出的計(jì)算結(jié)果〕相符。
圖5（a）給出了模塊1的橋臂電容值偏大20％時(shí)的仿真結(jié)果，圖5（b）給出了模塊1變壓器漏感偏大20％時(shí)的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果說(shuō)明它們對(duì)均壓性能影響甚小，與理論分析相符。
（a）橋臂電路值偏大 （b）變壓器漏感偏大
圖5 某一橋臂電容與變壓器漏感偏大對(duì)均壓性能影響的仿真結(jié)果
2.2 實(shí)驗(yàn)
本文設(shè)計(jì)了一個(gè)輸入電壓為800～1200V的直流電源，輸出電壓為直流200～400V，輸出功率為50W的樣機(jī)來(lái)驗(yàn)證其原理。樣機(jī)中采用的主電路元器件及參數(shù)為：電容C1～C6均為22μF/400V；變壓器原邊匝數(shù)75匝，副邊匝數(shù)112匝；整流二極管選取快恢復(fù)二極管FR107。參數(shù)設(shè)計(jì)的具體步驟不再贅述，請(qǐng)參考文獻(xiàn)[2]。
帶載和空載時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下。
2.2.1 帶載實(shí)驗(yàn)（帶載56W）
輸入電壓Vin=987V，輸出電壓Vo=237V。帶載時(shí)C1～C6承受的電壓如表1所列。
表1 帶載時(shí)C1～C6承受的電壓 V
| C1 | C2 | C3 | C4 | C5 | C6 |
|---|---|---|---|---|---|
| 164.1 | 164.1 | 166.2 | 166.2 | 163.2 | 163.2 |
2.2.2 空載實(shí)驗(yàn)
輸入電壓Vin=991.5V，輸出Vo=298.8V?？蛰d時(shí)C1～C6承受的電壓如表2所列。
表2 空載時(shí)C1～C6承受的電壓 V
| C1 | C2 | C3 | C4 | C5 | C6 |
|---|---|---|---|---|---|
| 165.5 | 165.5 | 170.9 | 170.9 | 159.3 | 159.3 |
由帶載和空載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，電容均壓情況良好。C3、C4上的電壓偏高是因?yàn)榈诙€(gè)基本模塊的變壓器在實(shí)際繞制時(shí)原副邊匝比略有偏大所致。
圖6給出了3個(gè)基本模塊變壓器副邊的電壓波形，同時(shí)可以測(cè)得電路正常工作時(shí)3個(gè)基本模塊的工作頻率分別為46.6797kHz，43.1505kHz，44.4365kHz，可見(jiàn)3個(gè)基本模塊工作于不同頻率，無(wú)須同步。
圖6 3個(gè)變壓器副邊的波形
3 結(jié)語(yǔ)
本文提出了一種適用于高壓輸入的DC/DC小功率變流器拓?fù)?。該拓?fù)洳扇∧K化設(shè)計(jì)；控制策略簡(jiǎn)單，各模塊獨(dú)立控制，無(wú)須同步；該電路可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均壓均流，無(wú)須附加措施，且不存在環(huán)流危害。當(dāng)輸入電壓Vin變高時(shí)，只須增加輸入側(cè)基本模塊的串聯(lián)級(jí)數(shù)即可，因此本電路在高壓輸入下，特別是輸入電壓高達(dá)幾千伏甚至上萬(wàn)伏時(shí)，具有很高的實(shí)用價(jià)值。
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