多功能一體化dcdc變換器

多功能一體化dcdc變換器

1軟件的可行性分析在中國，目前采用技術(shù)評(píng)估方法進(jìn)行了小批量生產(chǎn)的安靜變流器，包括250va和1kva單振動(dòng)器。這些產(chǎn)品對(duì)應(yīng)于國外第二個(gè)靜態(tài)變流器的初始版。采用硅鐵磁性材料和分離器，開關(guān)頻率為20hz。由于冷卻方式的限制，工作高度不超過11000m，可靠性和維護(hù)性差，體積大，重量重?？傮w上看,單相靜止變流器品種少、容量小、技術(shù)落后,不能滿足現(xiàn)有戰(zhàn)斗機(jī)火控改造的需要,更不能滿足第四代戰(zhàn)斗機(jī)、艦載機(jī)的需要。因此開展高頻軟開關(guān)靜止變流器技術(shù)研究很迫切,并具有重大實(shí)際意義,通過研究還可以跟蹤和掌握國外先進(jìn)技術(shù),縮小差距,實(shí)現(xiàn)系列化,推動(dòng)我國的航空二次電源產(chǎn)品的發(fā)展,進(jìn)入國際市場(chǎng)。本文主要討論了變流器的DC-DC部分,分析了它的原理,并研究了交錯(cuò)并聯(lián)電路中特有的并聯(lián)諧振現(xiàn)象。這種電路應(yīng)用于民用產(chǎn)品也同樣有著廣闊的前景。2dc/dc電路的工作原理DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很多,這里我們采用一種新穎的交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)的雙正激式DC/DC變換器,電路拓?fù)鋱D如圖1所示。DC/DC變換器有3個(gè)作用:輸入輸出電氣隔離;吸收DC/AC逆變橋交流側(cè)回饋的無功能量;輸出高頻脈沖波給逆變橋,逆變橋開關(guān)管在Ub過零時(shí)切換,實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)?；谶@一思想,在傳統(tǒng)的DC/DC變換器中去除輸出LC濾波器,再加上逆變橋交流側(cè)無功能量回饋吸收電路,便可得到上述三個(gè)作用的多功能一體化DC/DC變換器。變換器的功率級(jí)采用交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu),優(yōu)點(diǎn)是:(1)可用更小的變壓器得到更高的功率輸出。除了使每個(gè)變壓器分別傳輸部分能量,減少功率損耗和熱應(yīng)力外,交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)使每個(gè)功率級(jí)流過更小的功率,從而使器件的功率損耗和熱應(yīng)力減少,是消除功率設(shè)備“熱點(diǎn)”的有效方法。此外,低功率的功率級(jí)的并聯(lián),使電路的輸出頻率可以提高一倍,通常比采用單級(jí)結(jié)構(gòu)的開關(guān)頻率高。由于每個(gè)功率級(jí)流過功率低,低功率、高速的半導(dǎo)體器件可以發(fā)揮作用,進(jìn)一步提高整體的開關(guān)頻率,減小了變壓器的鐵心體積。(2)并聯(lián)使導(dǎo)通比為原來的2倍。在保持輸出電壓平均值不變的情況下,導(dǎo)通比D越大,輸出電壓最大峰值Uomax越小,對(duì)DC/AC部分的功率器件的電壓應(yīng)力也越小,可以采用耐壓小的功率器件。(3)由于采用交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu),輸入電壓和電流的脈動(dòng)減小了一半,頻率提高了一倍,輸入濾波器的體積就可以減小了,從而減小了整個(gè)裝置的體積。下面我們分析DC/DC電路的工作原理。為簡化工作原理分析,作了下列假設(shè):(1)認(rèn)為變壓器的漏感遠(yuǎn)小于磁化電感,即LLK?LLM。忽略變壓器的繞線電阻、寄生電容和鐵心損耗。(2)功率MOSFET管VM和二極管VD在導(dǎo)通時(shí)被認(rèn)為短路,在關(guān)斷時(shí)被認(rèn)為是電容(分別為CV和CVD,但在電路拓?fù)渲惺÷粤硕O管的電容)。忽略二極管的恢復(fù)時(shí)間。等效電路如圖2所示。(3)假設(shè)變換器輸出所接的感性負(fù)載Lo足夠大,輸出電感電流連續(xù)。該變換器的主要波形如圖3所示。各個(gè)狀態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4a～4g所示。(a)t0～t1:VM1在t0時(shí)導(dǎo)通,T1次級(jí)輸出正電壓,VD3導(dǎo)通。VD5的反偏電壓為Ui/N,N為脈沖變壓器的初次級(jí)匝比。由于VM1和VM2的驅(qū)動(dòng)電壓是交錯(cuò)的,T2此時(shí)正在去磁或去磁已經(jīng)結(jié)束,假設(shè)CV2通過T2的磁化電感LLM2和電源諧振放電,在t0時(shí)刻UDS(VM2)正好降到Ui。t0的前一時(shí)刻,UDS(VM1)為輸入電源電壓Ui。常規(guī)的單個(gè)單端正激式變換器的漏-源電壓UDS在去磁結(jié)束后不會(huì)發(fā)生低于Ui的情況,因?yàn)檩敵龅膬蓚€(gè)二極管的鉗位作用使變壓器繞組上的電壓為零。在單個(gè)正激式變換器中,當(dāng)去磁結(jié)束時(shí),續(xù)流二極管(相當(dāng)于VD5)正續(xù)流,如果功率MOSFET的漏-源電壓UCV繼續(xù)下降到低于Ui時(shí),變壓器初級(jí)的壓降為正,次級(jí)輸出正電壓,輸出二極管(相當(dāng)于VD3或VD4)導(dǎo)通,和續(xù)流二極管一起把次級(jí)繞組的電壓鉗位在零,因此初級(jí)繞組上的壓降也為零,UCV則被鉗位在Ui。在交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)的雙正激變換器中,由于另一路的導(dǎo)通,使二極管VD5上反偏電壓為Ui/N,所以只要次級(jí)繞組上的電壓小于Ui/N,上述的鉗位現(xiàn)象就不存在。因此,T2次級(jí)繞組的電壓不受VD4和VD5的鉗位,其電壓可以為任何小于Ui/N的值。同樣UCV2上的電壓也不會(huì)被鉗位在Ui。這樣,VM2的輸出電容CV2和變壓器T2的磁化電感LLM2繼續(xù)進(jìn)行諧振,使UDS(VM2)小于輸入電源電壓Ui。(b)t1～t2:VM1在t1時(shí)刻關(guān)斷。VM1的輸出電容CV1由輸出電流折射到初級(jí)的電流NIo線性充電。在t1～t2期間T2還在諧振,UDS(VM2)在t2時(shí)已經(jīng)大于Ui。在t2時(shí)刻,UDS(VM1)上升到Ui,VD3關(guān)斷,VD5開始導(dǎo)通。雖然在t2后,Uo=0,VD4和VD5不再受Uo的高壓而反偏,但此時(shí)由于UCV2>Ui,所以T2的初級(jí)和次級(jí)上的電壓都為負(fù),T2次級(jí)輸出的負(fù)壓使VD4反偏,因而T2次級(jí)繞組的電壓不被鉗位。(c)t2～t3:輸出電流Io通過續(xù)流二極管VD5續(xù)流。CV2和LLM2繼續(xù)諧振。同時(shí),存儲(chǔ)在LLK1的漏感能量對(duì)CV1以很快的速度進(jìn)行充電,使UDS(VM1)增大到2Ui。(d)t3～t4:變壓器T1通過去磁繞組去磁。CV2和LLM2繼續(xù)諧振,在t4時(shí)刻,UCV2剛好達(dá)到Ui,因?yàn)榱硪宦诽幱谌ゴ烹A段,輸出電壓Uo為0,所以VD4和VD5會(huì)把T2的次級(jí)繞組電壓鉗位在零。同樣,VM2的漏-源寄生電容CV2的電壓UCV2被鉗位在Ui。(e)t4～t5:T1還在去磁。T2被VD4和續(xù)流二極管VD5鉗位,UDS(T2)保持在Ui不變。t5時(shí),T1去磁結(jié)束。(f)t5～t6:T1去磁已經(jīng)結(jié)束,CV1通過T1的磁化電感LLM1和電源諧振放電。在t6時(shí)刻,UDS(T1)到達(dá)輸入電源電壓。UCV2保持不變,為Ui。(g)t6～t7:VM2導(dǎo)通,T2輸出脈沖電壓使VD3和VD5對(duì)T1的鉗位作用消失,CV1和LLM1通過電源繼續(xù)諧振。由T1、VM1組成的電路和由T2、VM2組成的電路互換了工作狀態(tài),隨后周而復(fù)始地進(jìn)行。從分析的波形可以看到,在每個(gè)周期中變壓器的初、次級(jí)出現(xiàn)了兩次正電壓和負(fù)電壓,變壓器鐵心兩次增磁和去磁,多了一個(gè)額外的B-H環(huán),與單個(gè)正激式變換器的工作狀態(tài)不同。3功率mosfp的uds波形電路拓?fù)湓谝粋€(gè)1kW的原理樣機(jī)上得到驗(yàn)證,試驗(yàn)參數(shù)為:Ui=18～32V,UoAV=180V,f=100kHz(每一路為50kHz),變壓器初級(jí)磁化電感LLM1=61.32μH,初級(jí)漏感LLK=0.063μH,次級(jí)繞組電感LLM2=7.42mH,功率MOSFET選用每