一種低漂移對稱大功率高壓直流變換器的設(shè)計

在UPS電源或DC／AC變換器設(shè)計中，需要正負(fù)對稱的直流高壓，該電壓經(jīng)逆變器后獲得50 Hz(或其他頻率)的正弦電壓。為保證負(fù)載和變換器本身可靠工作，要求輸出交流電壓的直流分量足夠小，因此獲得高度平衡對稱的直流高壓是減小直流分量的必要條件。詳細(xì)介紹了一種對稱的大功率高壓直流變換器技術(shù)方案，它通過對稱Boost變換器和脈沖變壓器采樣反饋技術(shù)實現(xiàn)了低漂移、大功率、寬輸入范圍、輸出不平衡度很小的直流高壓。詳細(xì)描述了主要參數(shù)的設(shè)計方法，最后給出了測試結(jié)果。

1 引言
在UPS或DC／AC設(shè)計中，需將輸入220 V交流電壓或蓄電池電壓轉(zhuǎn)換為±375 V的直流電壓，然后交流變換器將直流電壓變換為220 V／380 V，50 Hz的正弦交流電壓，這種交流電壓往往會產(chǎn)生直流分量。交流電壓的直流分量對感性負(fù)載和變換器本身具有極大的危害；它一方面容易使磁性器件產(chǎn)生偏磁飽和，另一方面可使變換器本身過載損壞。這種直流分量在10 s內(nèi)應(yīng)小于均方根值的0．1％，這就要求變換器的輸入直流電壓不對稱偏差不大于交流輸出有效值的0．314％。為此，需設(shè)計一個低漂移、高度對稱的高壓大功率直流升壓變換器。

2 升壓變換器方案選擇
實現(xiàn)高頻大功率升壓變換器的典型方法有推挽、半橋、全橋和Boost變換等幾種方法。推挽、半橋和全橋拓?fù)涞墓餐秉c是：①它們都需要一個升壓變壓器，次級又需兩個對稱的升壓繞組。由于功率大，除了制造困難和體積大外，還會增加漏感，漏感會產(chǎn)生很大du／dt，對功率器件的安全工作和EMI產(chǎn)生不利影響；②電路不能實現(xiàn)正、負(fù)對稱輸出。由于輸出繞組不能做到完全對稱，而控制電路又不能對輸出電壓進行單獨控制，故正負(fù)電壓必然產(chǎn)生誤差；半橋電路的初級電壓由電容分壓取得，更不易保證對稱輸出。另外，全橋電路驅(qū)動復(fù)雜，成本高，損耗大；③可能發(fā)生磁性器件階梯性飽和，威脅功率器件的可靠工作。
對稱Boost變換器完全采用電子電路，雖然不能做到電路參數(shù)和輸入電壓的完全對稱，但由于有兩個相互獨立的采樣、反饋控制回路，使輸出電壓的平衡性不受電路元件參數(shù)離散性影響。

3 采樣反饋方案選擇
3．1 線性光耦采樣反饋電路
線性光耦是低壓開關(guān)電源常用的隔離反饋器件，以其價格低廉和電路簡單得到普遍應(yīng)用。然而其穩(wěn)定性和精度不適合要求較高的場合。光電隔離器傳輸特性如圖1所示，可見，電流傳輸比Di在if為5 mA，10 mA時分別約為1，0．67(uce=5 V)，同時uce的變化對其他參數(shù)也有較大影響；當(dāng)溫度從0～50℃變化時，Di從1．05變?yōu)?．9。實驗結(jié)果證明，由于其參數(shù)的離散性、時間和溫度的變化引起的不平衡度會增加到5．6％，因此光耦不適合高壓隔離取樣。

3．2 幅度調(diào)制隔離取樣反饋
該方法是將采樣電壓進行調(diào)幅，產(chǎn)生一個幅度隨采樣電壓變換的方波信號，再驅(qū)動變壓器或光耦，其典型電路如UC3901。該方法較適用于低壓開關(guān)電源隔離，因芯片的供電電源可直接由輸出電源提供。對于高壓變換器，此方法不宜采用。
3．3 脈沖變壓器采樣反饋
該方案采用脈沖變壓器采樣反饋電路。它用一個固定頻率、固定脈寬的降壓變換器，直接將輸出高壓變換為脈沖幅度調(diào)制的低壓信號。這種方法制作一致性好，溫度漂移極小(磁性材料的溫度范圍寬)、帶寬寬(磁性材料工作頻率高)、體積小、價格低廉．是保證輸出電壓低漂移、高度平衡對稱的有效方法。

4 對稱高壓變換器電路原理
對稱高壓直流變換器電路原理如圖2所示。

它由上下對稱的兩個Boost變換器構(gòu)成。Uin1，L1，VT3，VD3，C1構(gòu)成正電壓變換器，PWM1，T3等構(gòu)成正電壓反饋控制電路。振蕩驅(qū)動電路產(chǎn)生固定頻率和脈寬的脈沖信號，這樣取樣的信號完全無失真地反映了輸出電壓的瞬時變化。為保證輸出電壓低的溫度漂移，一個高精度、低漂移的電壓參考源給PWM1和PWM2供電是必要的。

5 主要元件參數(shù)設(shè)計
5．1 升壓電感設(shè)計
電感量L1，L2計算式為：


式中：Uinmin為輸入電壓最小值，Uinmin=208 V；f為工作頻率，f=20 kHz；IL為電感的平均電流；k為電感電流的紋波系數(shù)；Dmax為最大占空比，Dmax=1-Uinmin／Uo=0．45。

在式(1)中，影響電感量的關(guān)鍵參數(shù)是k的選擇。它不僅影響電流的連續(xù)性，而且影響電感的體積和成本。k越小，儲能和體積同時增大；反之，儲能和體積同時減小。所以該系數(shù)具有一個優(yōu)選值。該系統(tǒng)輸出功率12 kW，所以正、負(fù)變換器各輸出功率為6 kW，電流Io=17 A，IL=29 A，ILPK=IL+△iL／2分別取k為0．2，0．25，0．3，0．4，0．5，則L分別為806μH，646 μH，538μH，403μH，323μH。這些電感能否滿足貯存能量的要求，還需要核算。根據(jù)，可得各電感貯存的能量依次為：8．2 kW，6．88 kW，5．98 kW，4．88 kW，4．24 kW。由此可知：k取0．2過大，使電感體積和成本增加，取0．3不滿足輸出功率要求，取0．25滿足輸出功率要求。
5．2 磁芯選擇與核算
為保證電感在空載到滿載情況下電感量的穩(wěn)定和電感系數(shù)比較大，選擇鐵基磁粉芯作為線圈載體?？紤]到材料的溫度特性，工作磁通密度應(yīng)選擇在0．4Bs。這里用面積乘積法選擇磁性器件：


式中：LI2=2x344 W·S；Bw=0．6 T；Ku為窗口系數(shù)；K為鐵粉心電流密度比例系數(shù)。
填充系數(shù)通常選擇在0．25～0．45范圍內(nèi)，典型值為0．4。系數(shù)越小，體積和成本增加，系數(shù)越大，繞制難度增加，且可能造成磁場強度增加，使磁導(dǎo)率快速下降，因此需要反復(fù)核算。這里取典型值：Ku=0．4，Kj=403 A／cm4，代入式(2)得：AP=129 cm4。初選磁性材料型號為H125-640，參數(shù)為ur=125，AwAe=42．58 cm4，考慮裕量，選4塊磁芯可滿足要求。4塊磁芯并聯(lián)，匝數(shù)，直流磁場強度：H=NI／Le=53．76 Oe，查材料磁導(dǎo)率和直流偏磁曲線，如圖3所示。由圖3曲線可知：此時材料的相對磁導(dǎo)率約降為原來的60％，所以在此狀態(tài)下線圈總電感量。

故需要重新修正線圈匝數(shù)。由電感方程式可得修正線圈匝數(shù)為：。查曲線得修正后磁導(dǎo)率的下降系數(shù)約為0．48，電感L=546μH。工作磁通的核算如下：Bw=0．6uruoNI／Le=4．14×103Gs。
可見，工作磁通密度遠(yuǎn)未達(dá)到該型號的最大值1．5 T，所以工作于安全區(qū)，但電感量未能達(dá)到設(shè)計要求。原因是直流偏磁造成相對磁導(dǎo)率下降過快。如果繼續(xù)增加電感匝數(shù)，由于磁場強度增加，使磁導(dǎo)率進一步下降。雖然當(dāng)增加到一定數(shù)量時可以滿足電感量的要求，但磁通密度、窗口系數(shù)及銅耗又不能滿足設(shè)計求。為此需要重新修改設(shè)計。修正參數(shù)，重復(fù)以上計算(略)，結(jié)果為：Ku=0．3，AP=179 cm4，Bw= 4.27×103Gs，N=28。磁芯個數(shù)5塊，L=662μH。
5．3 濾波電容選擇
濾波電容選擇主要依據(jù)紋波電壓和紋波電流。紋波電流對電解電容的主要影響是發(fā)熱，電容的等效串聯(lián)電阻必須滿足溫升要求。電容容量為：


查元件表可知，1 000μF電容紋波電流僅為4．7 A，為保證可靠性，需對電容值進行修正，以滿足紋波電流要求。修正后電容參數(shù)2x15 00μF，其紋波電流為12．8 A，滿足設(shè)計要求。

5．4 IGBT選擇
IGBT參數(shù)選擇不僅要考慮電感支路流入的最大電流，還要考慮整流二極管的反相恢復(fù)電流，這兩個電流(將脈沖電流換算為有效值)和需滿足IGBT的電流降額。集電極的額定電流可表示為：ICr≥(ICrms+Idr_rms)／βef=125A(與工作頻率有關(guān))。據(jù)此可選擇600V／150A的IGBT。
5．5 采樣電路設(shè)計
采樣變壓器要求脈沖上升和下降時間短，輸出包絡(luò)檢波充放電時常數(shù)合適，這樣才能保證采樣波形完全不失真地反映輸出直流電壓的變化。

6 實驗與測試結(jié)果
通過電網(wǎng)電源倍壓整流產(chǎn)生的直流電壓對該電路進行測試。圖4a為輸入交流電壓242 V空載時輸出直流電壓波形，圖4b為輸入交流電壓194．5 V重載時輸出直流電壓波形。測試結(jié)果表明，空載和重載情況下，正、負(fù)母線電壓偏差幾乎為零；最大輸出功率為13 kW；溫度與時間漂移產(chǎn)生的正負(fù)電壓不平衡度不大于0．27％。

7 結(jié)論
該電路可以實現(xiàn)功率13 kW、額定對稱輸出±375 V的直流電壓；采樣線性度、溫度和時間漂移特性優(yōu)良，應(yīng)用于交流變換器可有效降低直流分量；該電路可實現(xiàn)更高輸出電壓的控制，還可用作大功率高壓、高精度直流穩(wěn)壓電源。