軍用混合集成DC/DC變換器

 1引言    

       隨著航天航空等電子工程系統(tǒng)小型化技術(shù)的發(fā)展，整機(jī)電源供電系統(tǒng)開(kāi)始采用由混合集成DC/DC電源變換器構(gòu)成的分布式供電設(shè)計(jì)方案，取代傳統(tǒng)的由分立元器件組成的電源集中供電方式。軍用混合集成DC/DC電源變換器以其體積小、重量輕、功率密度高、效率高、可靠性高等特點(diǎn)，被廣泛用于軍事電子控制系統(tǒng)。雙路輸出是DC/DC電源變換器常有的輸出形式，通常，其輸出有主副路之分，對(duì)雙路輸出的每路1有一定的要求，諸如雙路輸出負(fù)載平衡或副路加載時(shí)主路不能空載等要求，即存在所謂的交叉調(diào)整率問(wèn)題，使雙路輸出DC/DC變換器的使用受到限制。而在一些特定的場(chǎng)合，要求DC/DC變換器雙路輸出沒(méi)有主副路之分，相互獨(dú)立輸出。本文主要介紹低紋波雙路輸出DC/DC電源變換器的設(shè)計(jì)思想、實(shí)現(xiàn)方法及研究結(jié)果。 

       2方案設(shè)計(jì)    

       根據(jù)雙路獨(dú)立輸出的特殊要求，經(jīng)過(guò)對(duì)雙路輸出DC/DC變換器拓?fù)溥M(jìn)行深入分析研究，確定實(shí)現(xiàn)雙路獨(dú)立輸出DC/DC變換器的電路方案。實(shí)現(xiàn)雙路輸出DC/DC變換器有以下4種電路方案，它們的電原理框圖分別如圖1、圖2、圖3、圖4所示。 

方案1是1路輸出采用反饋實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，另1路采用后穩(wěn)壓的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；方案2是兩路輸出均采用后穩(wěn)壓的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；方案3是兩路輸出的差值采樣，經(jīng)光耦隔離反饋，實(shí)現(xiàn)兩路輸出穩(wěn)壓的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；方案4是兩路輸出的差值采樣，經(jīng)變壓器隔離反饋，實(shí)現(xiàn)兩路輸出穩(wěn)壓的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 

       這4種方案的高頻變壓器輸入側(cè)部分電路形式基本相同，所不同的是輸出反饋方式和路徑。表1為4種方案的特點(diǎn)對(duì)比，從中可知方案2具有雙路獨(dú)立輸出、交叉調(diào)整率為零的特點(diǎn)。 

 3電路設(shè)計(jì) 

       3.1方案2的設(shè)計(jì)特點(diǎn)    

       方案2采用UC1825A雙端輸出PWM控制電路，功率開(kāi)關(guān)采用雙端推挽結(jié)構(gòu)，輸入濾波采用π型濾波器，啟動(dòng)電路采用串聯(lián)線性穩(wěn)壓電路向UC1825A供電。在高頻變壓器輸入側(cè)把高頻變壓器的1路輸出繞組整流濾波作為輔助電源，切換啟動(dòng)電路向UC1825A供電，輔助電源同時(shí)作為預(yù)穩(wěn)壓電路反饋到UC1825A控制電路的誤差電壓控制端，控制UC1825A的輸出脈沖寬度，構(gòu)成UC1825A、功率開(kāi)關(guān)、高頻變壓器、輔助電源及預(yù)穩(wěn)壓電路的閉環(huán)控制回路，實(shí)現(xiàn)輔助電源的穩(wěn)壓控制，從而實(shí)現(xiàn)輸入電壓Vi變化時(shí)正負(fù)雙路輸出的預(yù)穩(wěn)壓控制。正負(fù)兩路輸出均采用全波整流、兩級(jí)LC濾波，并分別采用1個(gè)串聯(lián)線性穩(wěn)壓器，實(shí)現(xiàn)負(fù)載變化時(shí)低紋波輸出電壓的穩(wěn)壓控制。    

       方案2是自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，國(guó)內(nèi)外目前尚未見(jiàn)到此種DC/DC變換器設(shè)計(jì)方案的報(bào)道。    

       3.2 控制回路設(shè)計(jì) 

       在高頻變壓器輸入側(cè)增設(shè)1個(gè)次級(jí)繞組，該次級(jí)繞組電壓經(jīng)整流濾波后，取樣反饋到UC1825A控制電路誤差放大器的反相輸入端，構(gòu)成閉環(huán)控制回路，使輸入電壓變化時(shí)該次級(jí)繞組電壓穩(wěn)定不變。    

       閉環(huán)控制回路的穩(wěn)定性是整個(gè)DC/DC變換器系統(tǒng)正常工作必不可少的條件。由于存在濾波電感、電容相移環(huán)節(jié)，經(jīng)過(guò)取樣、放大、比較、脈寬調(diào)制后，就會(huì)在某個(gè)頻率上滿足回路增益A>1、正反饋的條件，造成閉環(huán)回路的不穩(wěn)定。因此必須加入適當(dāng)?shù)男Ｕh(huán)節(jié)，使閉環(huán)回路穩(wěn)定工作。圖5為在誤差放大器的輸入端加入校正網(wǎng)絡(luò)，在誤差放大器輸入、輸出之間加入校正網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成比例積分有源校正電路的等效閉環(huán)回路。  

 圖6為閉環(huán)回路的幅頻、相頻特性示意圖。由此圖可知，在低頻段，環(huán)路增益較高，有利于降低穩(wěn)態(tài)誤差，在高頻段，環(huán)路增益降低，回路有充分的相位余量，有利于閉環(huán)回路穩(wěn)定工作。閉環(huán)回路的相位余量為100