級聯(lián)型航空靜止變流器直流環(huán)節(jié)電路拓?fù)溲芯?/h1>
1 引言
靜止變流器是飛機供電系統(tǒng)的一個重要組成部分,用于將28V直流電變換為400Hz交流電,由于輸入電壓低,航空靜止變流器的效率一般不超過80%。為實現(xiàn)靜止變流器的模板化和高效率,提出了級聯(lián)型航空靜止變流器方案 ,由四臺逆變橋的輸出級聯(lián)得到系統(tǒng)輸出,對應(yīng)由四臺高頻直流變換器提供四臺逆變橋所需要的隔離直流電源。由于級聯(lián)逆變器采用低壓功率場效應(yīng)管和低開關(guān)頻率,具有很高的效率,因此新型航空靜止變流器的效率主要取決于直流變換環(huán)節(jié)。
1kVA新型航空靜止變流器的直流環(huán)節(jié)的設(shè)計功率為300W,輸入為18—32V,輸出為48V,輸入電壓低、電流大。在輸入低壓大電流應(yīng)用場合,推挽電路和單端正激電路是兩種可選方案。但推挽電路存在變壓器鐵芯偏磁、開關(guān)管關(guān)斷時漏感能量在開關(guān)管上引起高的電壓尖峰等問題。正激電路變壓器為單向磁化,磁芯利用率低,同時還需要附加去磁電路,使電路變得復(fù)雜。一種新的電路拓?fù)洹仆煺る娐?,集中了正激電路和推挽電路的優(yōu)點,同時克服了二種電路的缺點,具有:a)抑制變壓器的鐵芯偏磁;b)變壓器磁芯雙向磁化;c)抑制開關(guān)管兩端的關(guān)斷電壓尖峰等優(yōu)點,是新型航空靜止變流器直流環(huán)節(jié)的優(yōu)選電路方案。
本文首先介紹了推挽正激變換器的工作原理,然后分析了推挽正激電路的三種副邊整流結(jié)構(gòu),最后通過實驗比較,得出了適用于新型航空靜止變流器的直流變換器方案。
2 推挽正激變換器工作原理分析
圖1為副邊采用全橋整流結(jié)構(gòu)的推挽正激變換器。該變換器的兩個開關(guān)管和兩個變壓器初級交替連接成一個回路,在回路兩個相對的中點之間接有一個電容,另兩個點接電源。兩個初級有相同的匝數(shù)。D1, D2是場效應(yīng)功率晶體管的體二極管。
如圖1所示,輸入電源、電容C、開關(guān)管
和
組成一個回路。電容C的電壓
等于輸入電壓
。
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圖1 推挽正激電路圖
該回路滿足等式:
(1)
因為開關(guān)管兩端電壓 , 0(若電壓反偏,則體二極管導(dǎo)通,電壓被鉗位在零),所以開關(guān)管兩端電壓的 最大值為兩倍的輸入電壓。圖2所示為其穩(wěn)態(tài)時工作原理波形。

圖2 工作原理波形
?。?)工作模態(tài)1,t1-t2期間
開關(guān)管VQ1導(dǎo)通,VQ2關(guān)斷。這期間電容上電壓是輸入電壓,當(dāng)VQ1導(dǎo)通時電源電壓加在W1上,電容電壓
加在W2上,這時初級相當(dāng)于兩個正激電路并聯(lián)。
流過初級W1的電流
等于:
(2)
流過初級W2的電流
等于:
?。?)
流過開關(guān)管的電流
等于:
(4)
輸入電流
等于:
(5)
式中:
——負(fù)載電流
——磁化電流
——漏感平均電流
漏感電流的值由占空比和空載電流決定,N為變壓器次級線圈和初級線圈的變比。
輸入電流的峰值與1/2負(fù)載電流成正比。當(dāng)開關(guān)管VQ1關(guān)斷時,此模態(tài)結(jié)束。
?。?)工作模態(tài)2,t2-t3期間
這期間變壓器漏感電流釋放。由式(2)、式(3)可知,在t1-t2期間,
一直大于
,VQ1關(guān)斷時,因為
大于
,VQ2的體二極管導(dǎo)通,為漏感電流提供釋放回路。
在t2時刻,
和
分別為:
(6)
(7)
式中
磁化電感
此期間,輸入電壓
在W2上,電容電壓
在W1上,釋放漏感上的能量。當(dāng)
、
相等時,此模態(tài)結(jié)束。整個期間,
被鉗位在2倍輸入電壓,
為零。此模態(tài)的時間長度為:
(8)
式中
——初級漏感(設(shè)兩漏感相等)
?。?)工作模態(tài)3,t3-t4期間
在這期間,VQ1和VQ2都關(guān)斷。設(shè)電容C上的電壓為穩(wěn)定的輸入電壓
(電容取足夠大)。漏感電流經(jīng)過電源、W1、C和W2,由于電源電壓和電容電壓相等,漏感電流保持不變。當(dāng)開關(guān)管VQ2導(dǎo)通時此模態(tài)結(jié)束。
?。?)工作模態(tài)4,t4-t5期間
t4時刻W1和W2的漏感電流相等,當(dāng)開關(guān)管VQ2導(dǎo)通時,此期間電源電壓加在W2上,電容電壓加在W1上,流過開關(guān)管的電流
、
為:
(9)
(10)
(11)
此模態(tài)的持續(xù)時間是:
(12)
下半個開關(guān)周期的工作模態(tài)和上半個周期基本相同,不再贅述。
3 推挽正激變換器的三種次級整流電路分析
3.1 三種次級整流電路的工作原理分析
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圖3 全橋整流結(jié)構(gòu)與波形圖

圖4 全波整流結(jié)構(gòu)與波形圖
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圖5 倍流整流結(jié)構(gòu)與波形圖
圖3、4、5分別為適用于推挽正激電路的三種輸出整流結(jié)構(gòu):全橋整流結(jié)構(gòu)、全波整流結(jié)構(gòu)和倍流整流結(jié)構(gòu)。
3.1.1 全橋整流結(jié)構(gòu)
如圖3所示,當(dāng)變壓器的次級電壓
為正時,
、
和變壓器次級形成回路,
、
關(guān)斷,同時電感電流
增大并流經(jīng)負(fù)載。當(dāng)變壓器的次級電壓
為負(fù)時,其過程也類似。當(dāng)變壓器次級電壓
為零時,
、
和
、
同時導(dǎo)通,對電感電流進行續(xù)流。
在功率開關(guān)管導(dǎo)通時
(13)
開關(guān)管關(guān)斷時
(14)
由上二式:
?。?5)
3.1.2 全波整流結(jié)構(gòu)
如圖4所示,當(dāng)變壓器的次級電壓
為正時,
和變壓器次級的上半線圈形成回路,
關(guān)斷,同時電感電流感電流
增大并流經(jīng)負(fù)載。當(dāng)變壓器的次級電壓
為負(fù)時,其過程也類似。當(dāng)變壓器次級電壓
為零時,電感電流分別經(jīng)上半線圈、
和下半線圈、
續(xù)流。
在功率開關(guān)管導(dǎo)通時
?。?6)
開關(guān)管關(guān)斷時
(17)
由上二式:
(18)
3.1.3 倍流整流結(jié)構(gòu)
如圖5所示,當(dāng)變壓器的次級電壓
為正時,
關(guān)斷,電感
的電流
增大并流經(jīng)負(fù)載,
和變壓器次級形成回路,同時電感
的電流
減小,它流經(jīng)負(fù)載和
形成回路。當(dāng)變壓器次級電壓
為負(fù)時,其過程也類似。而變壓器的次級電壓為零時,則電感
和
的電流分別流經(jīng)
和
形成回路,即
和
同時導(dǎo)通。
在功率開關(guān)管導(dǎo)通時
(19)
開關(guān)管關(guān)斷時
(20)
由上二式:
?。?1)
3.2 次級三種整流結(jié)構(gòu)比較
3.2.1 輸出濾波電感
全橋整流結(jié)構(gòu)和全波整流結(jié)構(gòu)中流過濾波電感的電流平均值等于輸出電流平均值,而在倍流整流結(jié)構(gòu)中,單個濾波電感上的電流是輸全橋整流結(jié)構(gòu)和全波整流結(jié)構(gòu)中流過濾波電感的出電流平均值的一半。
全橋整流結(jié)構(gòu)和全波整流結(jié)構(gòu)中,輸出濾波電感的電壓頻率是功率開關(guān)管的兩倍,而倍流整流結(jié)構(gòu)中,兩個輸出濾波電感的電壓頻率與功率開關(guān)管相同,同時由于輸出電流紋波是兩電感電流紋波的和,因此在要求相同輸出電流紋波情況下,倍流整流結(jié)構(gòu)中單個濾波電感的值是全橋和全波整流濾波電感的兩倍。
3.2.2 變壓器次級線圈匝數(shù)
由式(15)(18)(21)可知,在相同輸入電壓,相同初級線圈匝數(shù)和相同的開關(guān)管導(dǎo)通占空比下,要使得輸出電壓相同,全波整流結(jié)構(gòu)和倍流整流結(jié)構(gòu)的次級線圈總匝數(shù)是全橋整流結(jié)構(gòu)的兩倍。
同時由三種整流結(jié)構(gòu)工作原理的分析可知,全橋整流結(jié)構(gòu)和全波整流結(jié)構(gòu)中變壓器次級中電流均為倍流整流結(jié)構(gòu)中變壓器次級電流的2倍。
3.2.3 整流管最大電壓應(yīng)力
由于在相同輸入電壓,相同初級線圈匝數(shù)和相同的開關(guān)管導(dǎo)通占空比下,要得到相同的輸出電壓,全波和倍流整流結(jié)構(gòu)的次級線圈匝數(shù)是全橋整流結(jié)構(gòu)的兩倍。因此全波和倍流兩種整流方式中整流管的最大電壓應(yīng)力為全橋整流方式中2倍。但由于全橋整流方式中整流管的數(shù)目是其他兩種整流方式的2倍,這就可能使得整流電路的導(dǎo)通壓降的增加。
3.3 電路的適用性分析
全橋整流方式適用于輸出高壓場合。
全波整流方式適用于輸出中低壓場合。
鑒于倍流整流的獨特結(jié)構(gòu),它尤其適用于輸出低壓大電流場合。由于倍流整流結(jié)構(gòu)中的變壓器和濾波電感可以公用一個磁芯,因此可簡化元件的封裝和減小體積。目前, 48V輸入、1.2V/70A輸出的變換器滿載效率可達到85% 。
4 實驗研究
1kVA新型航空靜止變流器需要獨立的四路48V直流電,因此直流變換環(huán)節(jié)的設(shè)計指標(biāo)為:輸出功率300W,輸入電壓為18—32VDC,輸出電壓為48VDC,開關(guān)頻率為100kHz。
基于此指標(biāo)設(shè)計了三種次級整流方式的直流變換器樣機。三臺樣機的原邊開關(guān)管
、
均采用IRFP150,原邊箝位電容C為
,采用CL233型金屬化聚酯膜介質(zhì)電容器,變壓器采用EE42鐵芯,輸出濾波電容為
,采用電壓控制方式。
(1)全橋整流樣機
變壓器原副邊變比為2:2:7電感為
;副邊整流二極管選用DSEP30—03A。
?。?)全波整流結(jié)構(gòu)
變壓器原副邊變比為2:2:7:7;輸出濾波電感為
;副邊整流二極管選用DSEP30—06A。
?。?)倍流整流結(jié)構(gòu)
變壓器原副邊變比為2:2:14;輸出濾波電感
;副邊整流二極管選用DSEP30—06A。
由于三種副邊整流方式對變換器的原邊工作無影響,變換器的主要工作波形是相同的。圖6、圖7給出了推挽正激變換器變壓器原邊電流和箝位電容電壓波形。實驗波形與理論分析吻合,說明了樣機設(shè)計參數(shù)的合理性。
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通道1:變壓器原邊電流波形
通道2:開關(guān)管驅(qū)動波形
圖6 變壓器原邊電流波形
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通道1:原邊箝位電容電壓波形
通道2:開關(guān)管驅(qū)動波形
圖7原邊箝位電容電壓波形
表1和表2給出了三臺樣機分別在20V和28V輸入和不同負(fù)載時的效率數(shù)據(jù)。
表1 樣機實驗數(shù)據(jù)(輸入電壓20V)

表2 樣機實驗數(shù)據(jù)(輸入電壓28V)
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由表1和表2可見,對于新型航空靜止變流器,直流變換器采用推挽正激全波整流電路可以得到最高的效率,在全部輸入電壓范圍內(nèi),額定負(fù)載時效率可達到89%以上,達到了Vicor第二代電源模塊的性能指標(biāo) 。
5 結(jié)語
?。?) 新型航空靜止變流器中的低壓大電流直流環(huán)節(jié)是影響其效率的關(guān)鍵因素。推挽正激變換器具有防止開關(guān)管的電壓尖峰和抑制變壓器偏磁的特點,是輸入低壓大電流場合的優(yōu)選方案。
?。?) 研制了推挽正激電路采用三種次級整流方式的直流變換器樣機,采用全波整流結(jié)構(gòu)可以達到最高的效率,樣機的效率達到了Vicor第二代電源模塊的性能指標(biāo)。
?。?) 本文的研究為實現(xiàn)航空靜止變流器效率超過85%奠定了基礎(chǔ)。
參考文獻
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input filter and coupled-inductor current doubler for 48VVRM IEEE Trans. On PE 2002 9[4] 843-849
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1kVA新型航空靜止變流器的直流環(huán)節(jié)的設(shè)計功率為300W,輸入為18—32V,輸出為48V,輸入電壓低、電流大。在輸入低壓大電流應(yīng)用場合,推挽電路和單端正激電路是兩種可選方案。但推挽電路存在變壓器鐵芯偏磁、開關(guān)管關(guān)斷時漏感能量在開關(guān)管上引起高的電壓尖峰等問題。正激電路變壓器為單向磁化,磁芯利用率低,同時還需要附加去磁電路,使電路變得復(fù)雜。一種新的電路拓?fù)洹仆煺る娐?,集中了正激電路和推挽電路的優(yōu)點,同時克服了二種電路的缺點,具有:a)抑制變壓器的鐵芯偏磁;b)變壓器磁芯雙向磁化;c)抑制開關(guān)管兩端的關(guān)斷電壓尖峰等優(yōu)點,是新型航空靜止變流器直流環(huán)節(jié)的優(yōu)選電路方案。
本文首先介紹了推挽正激變換器的工作原理,然后分析了推挽正激電路的三種副邊整流結(jié)構(gòu),最后通過實驗比較,得出了適用于新型航空靜止變流器的直流變換器方案。
2 推挽正激變換器工作原理分析
圖1為副邊采用全橋整流結(jié)構(gòu)的推挽正激變換器。該變換器的兩個開關(guān)管和兩個變壓器初級交替連接成一個回路,在回路兩個相對的中點之間接有一個電容,另兩個點接電源。兩個初級有相同的匝數(shù)。D1, D2是場效應(yīng)功率晶體管的體二極管。
如圖1所示,輸入電源、電容C、開關(guān)管
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該回路滿足等式:
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因為開關(guān)管兩端電壓 , 0(若電壓反偏,則體二極管導(dǎo)通,電壓被鉗位在零),所以開關(guān)管兩端電壓的 最大值為兩倍的輸入電壓。圖2所示為其穩(wěn)態(tài)時工作原理波形。
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?。?)工作模態(tài)1,t1-t2期間
開關(guān)管VQ1導(dǎo)通,VQ2關(guān)斷。這期間電容上電壓是輸入電壓,當(dāng)VQ1導(dǎo)通時電源電壓加在W1上,電容電壓
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流過初級W1的電流
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流過初級W2的電流
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流過開關(guān)管的電流
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輸入電流
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式中:
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漏感電流的值由占空比和空載電流決定,N為變壓器次級線圈和初級線圈的變比。
輸入電流的峰值與1/2負(fù)載電流成正比。當(dāng)開關(guān)管VQ1關(guān)斷時,此模態(tài)結(jié)束。
?。?)工作模態(tài)2,t2-t3期間
這期間變壓器漏感電流釋放。由式(2)、式(3)可知,在t1-t2期間,
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在t2時刻,
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式中
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此期間,輸入電壓
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式中
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?。?)工作模態(tài)3,t3-t4期間
在這期間,VQ1和VQ2都關(guān)斷。設(shè)電容C上的電壓為穩(wěn)定的輸入電壓
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?。?)工作模態(tài)4,t4-t5期間
t4時刻W1和W2的漏感電流相等,當(dāng)開關(guān)管VQ2導(dǎo)通時,此期間電源電壓加在W2上,電容電壓加在W1上,流過開關(guān)管的電流
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此模態(tài)的持續(xù)時間是:
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下半個開關(guān)周期的工作模態(tài)和上半個周期基本相同,不再贅述。
3 推挽正激變換器的三種次級整流電路分析
3.1 三種次級整流電路的工作原理分析
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圖3、4、5分別為適用于推挽正激電路的三種輸出整流結(jié)構(gòu):全橋整流結(jié)構(gòu)、全波整流結(jié)構(gòu)和倍流整流結(jié)構(gòu)。
3.1.1 全橋整流結(jié)構(gòu)
如圖3所示,當(dāng)變壓器的次級電壓
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在功率開關(guān)管導(dǎo)通時
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開關(guān)管關(guān)斷時
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由上二式:
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3.1.2 全波整流結(jié)構(gòu)
如圖4所示,當(dāng)變壓器的次級電壓
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在功率開關(guān)管導(dǎo)通時
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開關(guān)管關(guān)斷時
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由上二式:
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3.1.3 倍流整流結(jié)構(gòu)
如圖5所示,當(dāng)變壓器的次級電壓
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在功率開關(guān)管導(dǎo)通時
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開關(guān)管關(guān)斷時
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由上二式:
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3.2 次級三種整流結(jié)構(gòu)比較
3.2.1 輸出濾波電感
全橋整流結(jié)構(gòu)和全波整流結(jié)構(gòu)中流過濾波電感的電流平均值等于輸出電流平均值,而在倍流整流結(jié)構(gòu)中,單個濾波電感上的電流是輸全橋整流結(jié)構(gòu)和全波整流結(jié)構(gòu)中流過濾波電感的出電流平均值的一半。
全橋整流結(jié)構(gòu)和全波整流結(jié)構(gòu)中,輸出濾波電感的電壓頻率是功率開關(guān)管的兩倍,而倍流整流結(jié)構(gòu)中,兩個輸出濾波電感的電壓頻率與功率開關(guān)管相同,同時由于輸出電流紋波是兩電感電流紋波的和,因此在要求相同輸出電流紋波情況下,倍流整流結(jié)構(gòu)中單個濾波電感的值是全橋和全波整流濾波電感的兩倍。
3.2.2 變壓器次級線圈匝數(shù)
由式(15)(18)(21)可知,在相同輸入電壓,相同初級線圈匝數(shù)和相同的開關(guān)管導(dǎo)通占空比下,要使得輸出電壓相同,全波整流結(jié)構(gòu)和倍流整流結(jié)構(gòu)的次級線圈總匝數(shù)是全橋整流結(jié)構(gòu)的兩倍。
同時由三種整流結(jié)構(gòu)工作原理的分析可知,全橋整流結(jié)構(gòu)和全波整流結(jié)構(gòu)中變壓器次級中電流均為倍流整流結(jié)構(gòu)中變壓器次級電流的2倍。
3.2.3 整流管最大電壓應(yīng)力
由于在相同輸入電壓,相同初級線圈匝數(shù)和相同的開關(guān)管導(dǎo)通占空比下,要得到相同的輸出電壓,全波和倍流整流結(jié)構(gòu)的次級線圈匝數(shù)是全橋整流結(jié)構(gòu)的兩倍。因此全波和倍流兩種整流方式中整流管的最大電壓應(yīng)力為全橋整流方式中2倍。但由于全橋整流方式中整流管的數(shù)目是其他兩種整流方式的2倍,這就可能使得整流電路的導(dǎo)通壓降的增加。
3.3 電路的適用性分析
全橋整流方式適用于輸出高壓場合。
全波整流方式適用于輸出中低壓場合。
鑒于倍流整流的獨特結(jié)構(gòu),它尤其適用于輸出低壓大電流場合。由于倍流整流結(jié)構(gòu)中的變壓器和濾波電感可以公用一個磁芯,因此可簡化元件的封裝和減小體積。目前, 48V輸入、1.2V/70A輸出的變換器滿載效率可達到85% 。
4 實驗研究
1kVA新型航空靜止變流器需要獨立的四路48V直流電,因此直流變換環(huán)節(jié)的設(shè)計指標(biāo)為:輸出功率300W,輸入電壓為18—32VDC,輸出電壓為48VDC,開關(guān)頻率為100kHz。
基于此指標(biāo)設(shè)計了三種次級整流方式的直流變換器樣機。三臺樣機的原邊開關(guān)管
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(1)全橋整流樣機
變壓器原副邊變比為2:2:7電感為
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?。?)全波整流結(jié)構(gòu)
變壓器原副邊變比為2:2:7:7;輸出濾波電感為

?。?)倍流整流結(jié)構(gòu)
變壓器原副邊變比為2:2:14;輸出濾波電感

由于三種副邊整流方式對變換器的原邊工作無影響,變換器的主要工作波形是相同的。圖6、圖7給出了推挽正激變換器變壓器原邊電流和箝位電容電壓波形。實驗波形與理論分析吻合,說明了樣機設(shè)計參數(shù)的合理性。
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表1和表2給出了三臺樣機分別在20V和28V輸入和不同負(fù)載時的效率數(shù)據(jù)。

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由表1和表2可見,對于新型航空靜止變流器,直流變換器采用推挽正激全波整流電路可以得到最高的效率,在全部輸入電壓范圍內(nèi),額定負(fù)載時效率可達到89%以上,達到了Vicor第二代電源模塊的性能指標(biāo) 。
5 結(jié)語
?。?) 新型航空靜止變流器中的低壓大電流直流環(huán)節(jié)是影響其效率的關(guān)鍵因素。推挽正激變換器具有防止開關(guān)管的電壓尖峰和抑制變壓器偏磁的特點,是輸入低壓大電流場合的優(yōu)選方案。
?。?) 研制了推挽正激電路采用三種次級整流方式的直流變換器樣機,采用全波整流結(jié)構(gòu)可以達到最高的效率,樣機的效率達到了Vicor第二代電源模塊的性能指標(biāo)。
?。?) 本文的研究為實現(xiàn)航空靜止變流器效率超過85%奠定了基礎(chǔ)。
參考文獻
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