电流型控制反激DC/DC变换器的设计与实现

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

    B_m=B（1）

式中：B_m为最大磁密；

      B为偏置点磁密。

    则磁密变化量ΔB为

          ΔB=2(B_m－B)（2）

    原边匝数N₁为

        N₁=    （3）

式中：U_imin为最小输入电压；

      t_onmax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L_1min为

    L_1min=η（4）

式中：P_omin为临界连续功率；

      T_s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：I_1p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U_DS和电流应力I_1p分别为

        U_DS=U_imax＋U_o    (6.a)

        I_1p=I_1avg＋ΔI=t_onmax    (6.b)

式中：I_1avg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U_D5和电流应力I_D5p分别为

    U_D5=U_i＋U_o(7.a)

    I_D5p=I_2p(7.b)

式中：I_2p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：U_reset为箝位电容C₆的初始电压；

      L_1K为变压器原边对副边的漏感。

    箝位电阻R₃要满足

    (U_DS－U_i)≥U_o（9）

式中：t_off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％U_o，说明电源的负载调整率是相当高的。

CH1 5V CH2 25V M 5μ s CH1: u_gs CH2: i_d （ a） 空 载 功 率 开 关 电 流 波 形

CH1 5V CH2 100A M 5μ s CH1: u_gs CH2: uds （ b） 空 载 功 率 开 关 漏 源 电 压 波 形

CH1 5V CH2 25V M 5μ s CH1: u_gs CH2: i_d （ c） 满 载 功 率 开 关 电 流 波 形

CH1 5V CH2 100A M 5μ s CH1: u_gs CH2: u_ds （ 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。