基于反激式電路拓?fù)涞腄C/DC變換器并聯(lián)輸出的均流變換器設(shè)計(jì)

　　圖1 反激式變換器

　　反激式變換器是在基本Buck-Boost變換器中插入變壓器形成的，線路組成見圖1所示。變壓器原邊繞組其實(shí)是充當(dāng)一個(gè)儲(chǔ)能電感的作用，后文將敘述到初級(jí)電感量的設(shè)計(jì)將影響到反激式變換器的工作模式。

　　電路工作的第一階段是能量存儲(chǔ)階段，此時(shí)開關(guān)管Tr導(dǎo)通，原邊繞組電流Ip的線性變化遵循式(1)。

　　(1)　

　　電路工作的第二階段是能量傳送階段，此時(shí)開關(guān)管Tr關(guān)斷，原邊電流為零，副邊整流二極管D導(dǎo)通，出現(xiàn)感生電流。并且按照功率恒定原則，副邊繞組安匝值與原邊安匝值相等。副邊繞組電流Is遵循式(2)。

　　(2)　

　　其中為副邊繞組電壓，為變壓器副邊的等效電感。

　　電路工作模式

　　(1)工作模式改變的條件

　　如圖1所示的變換器，設(shè)開關(guān)管導(dǎo)通占空比為D1，二極管導(dǎo)通占空比為D2，工作周期為Ts，按穩(wěn)態(tài)電感電流增量相等原則有：

　　(3)　

　　連續(xù)模式時(shí)，D1期間(開關(guān)管導(dǎo)通，二極管截止)存儲(chǔ)在L上的能量在D2期間(開關(guān)管截止，二極管導(dǎo)通)沒有完全放完，故有：

　　(4)　

　　不連續(xù)模式時(shí)，D1期間(開關(guān)管導(dǎo)通，二極管截止)存儲(chǔ)在L上的能量在小于D2期間(開關(guān)管截止，二極管導(dǎo)通)已完全放完，故有：

　　(5)　

　　從而可以推導(dǎo)臨界連續(xù)的條件是：

　　D1+D2=1且每周期開始時(shí)的IP=0

　　故有：

　　(6)　

　　其中，Lc為臨界連續(xù)的電感值。

　　代入式(3)有：

　　(7)　

　　利用狀態(tài)空間平均法可以建立CCM模式下的反激變換器的小信號(hào)模型，如圖2所示。

　　圖2 CCM模式下的反激變換器的小信號(hào)模型

　　從中可以導(dǎo)出開環(huán)輸出阻抗為：

　　(8)　

　　其中　

　　由式(8)可以看出，對(duì)設(shè)計(jì)好的Buck-Boost變換器，其輸出阻抗僅為開關(guān)管導(dǎo)通比的函數(shù)。通過PWM控制開關(guān)管的導(dǎo)通占空比D，就可以控制變換器的開環(huán)輸出阻抗。

　　Droop法均流原理

　　分布式電源系統(tǒng)并聯(lián)使用的好處是可以實(shí)現(xiàn)電源模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性。但同時(shí)要求并聯(lián)的電源之間采取均流(Current-sharing)措施，以保證并聯(lián)電源模塊之間的電流應(yīng)力和熱應(yīng)力均勻分配。

　　Droop法又叫改變輸出內(nèi)阻法、斜率控制法、電壓下垂法、外特性下垂法、輸出特性斜率控制法，線路簡單，易于實(shí)現(xiàn);均流精度不高，適用于電壓調(diào)整率要求不高的并聯(lián)系統(tǒng)。

　　圖3 開關(guān)電源電路模型

　　圖4 開關(guān)電源的輸出曲線

　　如圖3所示的單個(gè)開關(guān)電源，它的輸出特性曲線如圖4所示，其輸出電壓Vo與負(fù)載電流Io的關(guān)系為：

　　(9)　

　　圖5 兩臺(tái)開關(guān)電源并聯(lián)的電路模型

　　當(dāng)兩臺(tái)開關(guān)電源按圖5并聯(lián)時(shí)，每個(gè)開關(guān)電源的負(fù)載電流為：

　　(10)　

　　(11)　

　　其中　

　　圖6 并聯(lián)后開關(guān)電源的外特性斜率

　　從圖6顯見，外特性斜率小(即輸出阻抗小)的電源，分配電流的增長量比外特性斜率大的電源增長量大。

　　Droop法實(shí)現(xiàn)均流的主要手段就是利用電流反饋調(diào)節(jié)每個(gè)變換器的外特性斜率，使并聯(lián)變換器的輸出阻抗接近一致，從而達(dá)到輸出均流。

　　由前文所述，反激電路的輸出阻抗為開關(guān)管導(dǎo)通占空比的函數(shù)，因此用反激電路實(shí)現(xiàn)Droop法均流的途徑，應(yīng)該通過電流檢測信號(hào)控制開關(guān)管導(dǎo)通占空比來實(shí)現(xiàn)，或者說電流檢測信號(hào)要參與PWM控制。

　　本文用Droop法設(shè)計(jì)了兩個(gè)12V輸出的并聯(lián)DC/DC變換器，結(jié)構(gòu)如圖7所示，技術(shù)指標(biāo)要求如下。

　　圖7 Droop法均流DC-DC設(shè)計(jì)原理框圖

　　輸入電壓：17V～32VDC;

　　輸出電壓：12VDC;

　　輸出最大功率：30W;

　　工作頻率：200kHz。

　　電壓調(diào)整率：小于±3%;

　　負(fù)載調(diào)整率：小于±3%;

　　效率：大于70%;

　　紋波：于70mV。

　　設(shè)計(jì)結(jié)果

　　● 負(fù)載調(diào)整率

　　本文研究的反激式變換器的輸出方式是離線式設(shè)計(jì)，而且電壓采樣信號(hào)沒有從輸出端直接采樣，而是采用了磁隔離采樣技術(shù)。這種設(shè)計(jì)可以不借助啟動(dòng)隔離電 路和隔離驅(qū)動(dòng)電路而實(shí)現(xiàn)離線式輸出，線路簡單，但帶來的缺點(diǎn)是負(fù)載調(diào)整率做不到很高。理論上很難把負(fù)載調(diào)整率做到±5%，有關(guān)文獻(xiàn)介紹這種 設(shè)計(jì)(輸出12V，電流從0.1～0.3A變化)可以實(shí)現(xiàn)的負(fù)載調(diào)整率±3%，本設(shè)計(jì)經(jīng)過一些有效的措施，使得負(fù)載調(diào)整率在負(fù)載電流從 0.1～1.3A變化時(shí)達(dá)到±3%。

　　變壓器耦合

　　由于電壓采樣信號(hào)是通過變壓器電壓采樣信號(hào)繞組耦合輸出電壓變化信號(hào)得到的，故信號(hào)耦合的好壞直接影響到輸出電壓負(fù)載調(diào)整率的好壞。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，得到兩點(diǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)：

　　變壓器的繞制采用“三明治”式繞法，即初級(jí)繞組先繞一半，再繞次級(jí)繞組，繞后再將初級(jí)繞組剩余的匝數(shù)繞完，將次級(jí)繞組包裹在里面，這樣漏感最小，見圖8所示。

　　圖8 變壓器的繞制方法

　　輸出繞組和電壓采樣繞組并繞以實(shí)現(xiàn)最佳耦合效果。

　　工作模式

　　經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電路工作模式的不同對(duì)負(fù)載調(diào)整率影響也很大。當(dāng)電路設(shè)計(jì)原邊電感較大，工作于連續(xù)模式(CCM)時(shí)，使得負(fù)載變化引起的電流信號(hào)(峰值電感電流)波形斜率比較平(變化率小)，影響輸出電壓負(fù)載調(diào)整率;而電路工作于不連續(xù)模式(DCM)時(shí)，又影響效率。

　　所以經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，電路設(shè)計(jì)原邊電感適中(變壓器初級(jí)匝數(shù)調(diào)整為6匝)，電路工作于臨界連續(xù)模式，結(jié)果對(duì)輸出電壓負(fù)載調(diào)整率有一定改善。

　　電壓采樣信號(hào)

　　試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，減小電壓取樣繞組的輸出阻抗等效于對(duì)電壓采樣信號(hào)有一定的放大效果，可以一定程度地改善輸出電壓負(fù)載調(diào)整率，如圖9所示。

　　圖9 減小電壓取樣繞組的輸出阻抗可改善輸出電壓負(fù)載調(diào)整率

　　結(jié)論

　　根據(jù)本文的有關(guān)研究和討論，以及結(jié)合設(shè)計(jì)中遇到的實(shí)際問題的解決，所設(shè)計(jì)的單端反激熱備份均流開關(guān)電源性能比較好，各項(xiàng)輸出參數(shù)見表1。

　　表1

　　兩個(gè)并聯(lián)DC-DC變換器的均流結(jié)果見圖10。

　　圖10 兩個(gè)并聯(lián)DC-DC變換器的均流結(jié)果

　　從結(jié)果來看,由于DC/DC1的輸出阻抗小于DC/DC2的輸出阻抗，穩(wěn)態(tài)調(diào)整的結(jié)果DC/DC1的輸出電流始終大于DC/DC2 的輸出電流，輸出電流的不平衡度為12.78%左右。

　　可以通過串聯(lián)電阻調(diào)節(jié)DC/DC1的輸出阻抗,能進(jìn)一步降低不平衡度，但這樣一來輸出效率下降，二來導(dǎo)致輸出負(fù)載調(diào)整率增大。

　　從設(shè)計(jì)結(jié)果看，基本實(shí)現(xiàn)了熱備份DC/DC輸出，整體效率和各項(xiàng)指標(biāo)比較好地達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。