低壓輸入交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器的研究

摘要：針對航空靜止變流器的直流環(huán)節(jié)，對交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器進(jìn)行了研究。分析表明，雙管正激電路利用兩個(gè)續(xù)流二極管實(shí)現(xiàn)了變壓器鐵心的磁復(fù)位，簡單可靠，采用交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)后，輸入輸出電流紋波大大減小，減小了輸入輸出濾波器的體積，同時(shí)變換器的熱分布更加均勻，提高了整機(jī)性能和可靠性。在完成航空DC27V低輸入電壓，DC190V輸出，1kW的樣機(jī)基礎(chǔ)上，對輸入為大電流的相關(guān)電路設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了詳實(shí)的討論和小結(jié)。

關(guān)鍵詞：諧振；DC/DC變換器；雙管正激；交錯(cuò)并聯(lián)；低壓/大電流

Analysis and Designof Low Input Voltage Two-module

Interleaved Two-transistor Forward DC/DC Converter

QIN Hai-hong,WANG Hui-zhen,YIN Jian

Abstract:For the purpose of implementation of DC Link of Aeronautical Static Inverter(ASI), research on low input voltage two-module interleaved two-transistor forward DC/DC converter is detailed. In this topology, only two diodes is needed for the demagnetization of transformer core. With interleaving technique, input and output current ripple can be reduced dramatically, and lower size input and output filter can be used. Furthermore, hotspots in the circuit is almost eliminated, which improve circuit performance greatly and make it more reliable. Through a prototype of DC 27V/190V, 1kW DC/DC converter, some useful conclusion and design guideline of the low-voltage high-current input DC/DC converter is presented.

Keywords:DC/DC converter;Two-transistor forward;Interleaving;Low-voltage/high-current

1 引言

航空靜止變流器(ASIAeronauticalStatic Inverter)是應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件，將飛機(jī)DC27V或270V電源電壓變換成AC115V/400Hz或AC36V/400Hz恒壓恒頻交流電的一種靜止變流裝置，作為飛機(jī)二次電源使用。現(xiàn)今小容量的靜止變流器一般采用如圖1所示的兩級結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)：直流環(huán)節(jié)(前級隔離式DC/DC部分)和高頻逆變環(huán)節(jié)(后級DC/AC部分)。選擇合理有效的方案來實(shí)現(xiàn)單級DC/DC和單極DC/AC將是滿足靜止變流器高指標(biāo)的可靠保證。

在1kVA以下等級靜止變流器的直流環(huán)節(jié)中，正激式拓?fù)湟螂娐方Y(jié)構(gòu)簡潔、輸入輸出電氣隔離、電壓升/降范圍寬、易于多路輸出、適用于中小功率電源變換場合等特點(diǎn)，而得到了廣泛的采用。但正激變換器存在一個(gè)固有的缺陷：必須附加復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)截止期間變壓器鐵芯磁復(fù)位，以免變壓器飽和。近年來，關(guān)于正激變換器磁復(fù)位技術(shù)的研究很多。如：RCD箝位技術(shù)，LCD箝位技術(shù)以及有源箝位技術(shù)等。RCD箝位技術(shù)盡管電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，但部分勵(lì)磁能量消耗在箝位網(wǎng)絡(luò)中，因此僅適用于效率要求不高，成本要求嚴(yán)格的小功率場合。LCD和有源箝位技術(shù)克服了RCD箝位技術(shù)的缺點(diǎn)，但電路結(jié)構(gòu)均較復(fù)雜。而雙管正激電路通過兩個(gè)二極管來提供勵(lì)磁電流回路，能量回饋電源，電路結(jié)構(gòu)簡潔，減小了損耗，功率管只承受電源電壓，電壓應(yīng)力小。因此經(jīng)折衷考慮，我們采用結(jié)構(gòu)較簡單且勵(lì)磁能量能不損耗在箝位網(wǎng)絡(luò)中的雙管正 激 電 路 來 作 為 靜 止 變 流 器 的 直 流 環(huán) 節(jié) 。

圖1 典型的ASI兩級結(jié)構(gòu)

注意到交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)的優(yōu)勢，我們在對雙管正激變換器的研究中結(jié)合了交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)，詳細(xì)分析了雙路交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器的工作原理，完成了航空DC27V輸入，DC190V輸出，1kW的樣機(jī)制作。通過實(shí)驗(yàn)制作和分析，對低壓輸入DC/DC變換器中與大電流輸入相關(guān)的具體電路設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了小結(jié)。

2 工作原理

如圖2所示，為雙路交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激DC/DC變換器的主電路及其主要波形。Q1、Q2、D1、D2與副邊拓?fù)錁?gòu)成一路雙管正激變換器，Q3、Q4、D3、D4與副邊拓?fù)錁?gòu)成另一路雙管正激變換器，D5、D6分別為這兩路變換器的副邊整流二極管，D7為兩路共用的續(xù)流管。Lf、Cf為輸出濾波電感和濾波電容。Coss1～Coss4分別為Q1～Q4的漏源結(jié)電容，變壓器原副邊匝比為n=N1/N2。在一個(gè)開關(guān)周期Ts中，該變換器有6種開關(guān)狀態(tài)。在分析之前，作如下假設(shè)：

圖2 雙路交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激DC/DC變換器的主電路及其主要波形

——所有開關(guān)管、二極管均視為理想器件；

——Lf足夠大，在一個(gè)開關(guān)周期中，其電流基本保持不變，這樣Lf和Cf以及負(fù)載電阻可以看成一個(gè)電流為Io的恒流源；

——Q1、Q2的漏源電容Coss1=Coss2，Q3、Q4的漏源電容Coss3=Coss4。

圖3給出了該變換器在不同狀態(tài)下的等效電路，其工作原理描述如下。

(a)[t0～t1] (b)[t1～t2] (c)[t2～t3](d)[t3～t4] (e)[t4～t5] (f)[t5～t6]

圖3 各 種 開 關(guān) 狀 態(tài) 下 的 等 效 電 路

1)開關(guān)模態(tài)1[t0～t1][參考圖3(a)]

在t0時(shí)刻前，Q1、Q2、D1、D2上電壓均為Uin/2，Q3、Q4上電壓均為Uin。負(fù)載電流I0通過D7續(xù)流，D3、D4導(dǎo)通，磁化電流減小，T2鐵心磁復(fù)位。t0時(shí)刻，Q1、Q2開通，D1、D2、Q3、Q4仍截止，D3、D4仍導(dǎo)通，T2勵(lì)磁電流i2M繼續(xù)通過D3、D4續(xù)流，線性減小，回饋電源。D7關(guān)斷，D5導(dǎo)通，電源通過T1給副邊傳輸能量。T1磁化電流i1M從零線性上升，

i1M(t)=(Uin/L1M)(t－t0) (1)

i2M(t)=I2M0－(Uin/L2M)(t－t0) (2)

式中：L1M、L2M——對應(yīng)T1、T2原邊磁化電感；

I2M0為Q1、Q2開通時(shí)刻（t0時(shí)刻）對應(yīng)另一路T2的勵(lì)磁電流值。其大小解釋如下：t1時(shí)刻，勵(lì)磁電流

i2M(t1)=0，t0-1=t1－t0=(2D－1/2)Ts

也即

I2M0=(Uin/L2M)(2D－1/2)Ts

這一時(shí)段內(nèi)D1、D2、Q3、Q4上承受的電壓均為Uin。

2)開關(guān)模態(tài)2[t1～t2][參考圖3(b)]

t1時(shí)刻，勵(lì)磁電流i2M（t1）為零，D3、D4自然關(guān)斷，此時(shí)T2原邊磁化電感L2M、漏感L2S、Q3、Q4漏源結(jié)電容Coss3、Coss4開始諧振。i2M反向流動(dòng)，給Q3、Q4漏源結(jié)電容放電，如果uds3(uds4)下降到零，因Q3、Q4體二極管導(dǎo)通，uds3(uds4)將被箝位為零。這一時(shí)段因?yàn)榱硪宦分蠶1、Q2導(dǎo)通，使得D7上的電壓被箝為Uin/n，而T2副邊電壓不會超過Uin/n，因而不會出現(xiàn)單路雙管正激副邊箝位為零的情況，所以在T2繞組上（同名端）出現(xiàn)正壓。對應(yīng)有

uds3(t)=uds4(t)=Uin·〔1＋cosωr(t－t1)〕/2 (3)

i1M(t)=(2D－1/2)Ts＋(t－t1) (4)

i2M(t)=－(Uin/Zr)sinωr(t－t1) (5)