一種低噪高輸出電壓DC—DC變換器設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)某航天器設(shè)備用的130 V高壓DC—DC變換器的低噪聲要求，采用初級(jí)側(cè)隔離的負(fù)載端直接反饋控制方式，次級(jí)側(cè)采用結(jié)合LC低通無(wú)源濾波電路和有源濾波電路的兩級(jí)輸出濾波電路設(shè)計(jì)方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，不僅實(shí)現(xiàn)了高壓DC-DC變換器的低噪聲輸出，而且通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得兩級(jí)濾波器的體積較小，可靠性較高，實(shí)現(xiàn)了星載應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：低噪聲；有源濾波；高輸出電壓；DC—DC變換器

0 引言
某航天器設(shè)備需應(yīng)用一種輸入電壓28 V、輸出電壓130 V的隔離式DC—DC變換器，因?yàn)樵撛O(shè)備的控制精度要求高，因此對(duì)DC—DC變換器的輸出噪聲有嚴(yán)格的要求。深入分析該設(shè)備系統(tǒng)的工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)影響其正常工作干擾來(lái)自于DC—DC變換器的傳導(dǎo)干擾，分為差模傳導(dǎo)噪聲和共模傳導(dǎo)噪聲。
DC—DC變換器產(chǎn)生的干擾信號(hào)頻譜一般在30 MHz以下，屬于近場(chǎng)干擾。差模傳導(dǎo)噪聲中能量最大的一般為DC—DC變換器主開關(guān)頻率處的頻率分量，體現(xiàn)為輸出的電壓紋波；而共模傳導(dǎo)噪聲的頻率相對(duì)要高很多，主要由線路的寄生參數(shù)引起，體現(xiàn)為輸出的電壓尖峰。
通常DC—DC變換器輸出噪聲(包括電壓尖峰與紋波)為輸出電壓的1％，對(duì)于有特殊要求的DC—DC變換器，可以通過(guò)一些關(guān)鍵電路的設(shè)計(jì)來(lái)解決，如濾波電路、開關(guān)器件的緩沖網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、有源濾波電路的設(shè)計(jì)、甚至采用軟開關(guān)技術(shù)等。
由于航天應(yīng)用的特殊要求，某些地面應(yīng)用的器件不能在空間應(yīng)用，例如容量比較大的鋁電解電容，由于不是密閉結(jié)構(gòu)，因此不能在空間低氣壓條件下應(yīng)用；而且空間應(yīng)用要考慮失效模式的影響(FMEA)，且不能存在單點(diǎn)失效故障，因此電容器要串并聯(lián)使用，這樣會(huì)減小電容器的有效容值，增大等效串聯(lián)電阻(ESR)和電路設(shè)計(jì)的難度。

1 總體方案考慮
該航天器設(shè)備用的隔離式DC—DC變換器的主要技術(shù)指標(biāo)見表1所示。

從表1可以看出：
(1)母線輸入電壓范圍在25～31 V，屬于低壓母線；
(2)輸出額定功率52 W，極限功率104 W；
(3)輸出電壓為130 V；
(4)額定輸出電流為0．4 A，極限輸出電流為0．8 A。
因此概括起來(lái)該DC—DC變換器屬于低壓母線輸入，中等輸出功率(電流)的高輸出高穩(wěn)定DC—DC變換器。
從功率需求、輸出噪聲以及閉環(huán)穩(wěn)定性方面綜合考慮，電路采用負(fù)載端直接采樣反饋、電流型控制方式的推挽變換拓?fù)?。輸出濾波電路采用兩級(jí)濾波電路。其中第一級(jí)采用LC低通濾波器。LC濾波器具有陡峭的頻率響應(yīng)，但是電感器件的非線性、分布電容的影響，使得實(shí)際設(shè)計(jì)的濾波器達(dá)不到理論上的性能，因此對(duì)于低噪聲要求，不能僅采用LC低通濾波器。第二級(jí)采用有源濾波器。有源濾波器是利用有源器件(集成放大器、射隨器等)組成的無(wú)感濾波器，可以組成低通、高通、帶通濾波器等。近年來(lái)有源電力濾波器(APF)在電力系統(tǒng)智能控制中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，是一種新型的動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功的電力電子裝置，較無(wú)源濾波器有更好的適應(yīng)能力。通過(guò)改變其控制策略，能達(dá)到治理不同諧波源的要求。因此，對(duì)有源電力濾波器的研究已成為一大熱點(diǎn)，受到越來(lái)越多人的關(guān)注。
LC低通濾波器的截止頻率可以設(shè)計(jì)得較高，用于抑制較高頻率的電源噪聲。由于截止頻率較高，這樣濾波電感與電容元件參數(shù)值也不會(huì)太大，因此所需的濾波電感與電容元件的體積也較小；第二級(jí)的有源低通濾波器，用于抑制較低頻率的電源噪聲。由于采用了有源器件(MOS-FET管)，會(huì)對(duì)電源效率造成一定影響，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，會(huì)使效率降低5％左右。

2 控制模式的選取
為了使輸出電壓穩(wěn)壓PWM型開關(guān)電源的負(fù)反饋控制信號(hào)可以是輸出電壓、輸出電流、輸入電壓(前饋)、輸出電感電壓以及開關(guān)器件峰值電流等。根據(jù)反饋控制信號(hào)的不同，一般分為電壓型和電流型兩種開關(guān)電源控制類型，其優(yōu)缺點(diǎn)見表2所示。

電壓型只對(duì)輸出電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，是一種單環(huán)控制方式，輸出電壓采樣反饋信號(hào)Vf和基準(zhǔn)電壓信號(hào)Vref進(jìn)行比較得到誤差控制信號(hào)Ve，與固定鋸齒波信號(hào)比較后得到脈沖寬度調(diào)制信號(hào)對(duì)開關(guān)功率管進(jìn)行開關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)壓控制。
電流型控制又稱峰值電流控制模式，是一種雙環(huán)控制。輸出電壓采樣反饋信號(hào)Vf再與基準(zhǔn)電壓信號(hào)Vref進(jìn)行比較得到誤差控制信號(hào)Ve，再與輸出電感電流峰值三角波信號(hào)進(jìn)行比較得到PWM控制信號(hào)，對(duì)開關(guān)功率管進(jìn)行開關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。
電流型控制是雙環(huán)控制系統(tǒng)，由開關(guān)器件的峰值電流信號(hào)反饋的電流環(huán)(內(nèi)環(huán))和輸出電壓信號(hào)反饋的電壓環(huán)(外環(huán))構(gòu)成。功率變換部分是由電流環(huán)控制的電流源，電壓外環(huán)控制功率級(jí)的電流環(huán)。電流內(nèi)環(huán)負(fù)責(zé)輸出電感的動(dòng)態(tài)變化，而電壓外環(huán)只需控制輸出電容。因此峰值電流控制模式要比電壓型控制模式有大得多的帶寬。
為了低噪聲要求，輸出端采用了兩級(jí)濾波器，為了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，考慮采用電流型控制方式。

3 主變壓器設(shè)計(jì)
漏感是指沒有耦合到磁芯或其他繞組的可測(cè)量電感量。漏感的影響就像一個(gè)獨(dú)立的電感串聯(lián)在繞組的引線上一樣。它是導(dǎo)致功率開關(guān)管漏源極、整流二極管兩端電壓尖峰的原因。這是由于其磁通沒有被其他繞組匝鏈所致。
對(duì)于已經(jīng)選定的磁芯和計(jì)算好的繞組，可以根據(jù)式(1)估算漏感：

式中：K1是簡(jiǎn)單的初級(jí)和次級(jí)繞組，一般取3，當(dāng)次級(jí)繞組是交錯(cuò)在初級(jí)繞組兩層之間時(shí)，取0．85；Lmt為整根繞線繞在骨架上每匝的平均長(zhǎng)度，單位為in；nx為要分析的繞組所包含的匝數(shù)；W1為繞組的寬度，單位為in；Tins為繞組的絕緣厚度，單位為in；bw為制作好的變壓器所有繞組的厚度，單位為in。
從式(1)可以看出，對(duì)于好的變壓器設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，主要是要選擇中心柱較長(zhǎng)的磁芯，可以使得繞組盡量寬；其次把繞組的匝數(shù)控制在最小程度，也可以有效地減小漏感，因?yàn)樵褦?shù)和漏感的關(guān)系是平方關(guān)系；另外繞組之間的耦合好壞對(duì)漏感也有較大影響，因此在繞制過(guò)程中要盡量使繞組之間耦合緊密。
由于輸出電壓較高，次級(jí)匝數(shù)也較多，例如采用MAG公司RM10的磁芯，次級(jí)要26匝，如果按照正常的全波整流方式，漏感引起的電壓尖峰會(huì)很高，因此在變壓器設(shè)計(jì)上結(jié)合輸出整流電路，設(shè)計(jì)優(yōu)化如下：
(1)變壓器的繞制采用“三明治”式繞法，即初級(jí)繞組先繞一半，再繞次級(jí)繞組，繞后再將初級(jí)繞組剩余的匝數(shù)繞完，并將次級(jí)繞組包裹在里面，這樣漏感最小，原理圖如圖1所示，變壓器繞制如圖2所示；

(2)次級(jí)分成兩個(gè)帶中間抽頭的繞組，每個(gè)繞組13匝(圖1中的n3，n4和n5，n6)，且n3，n4和n5，n6這兩個(gè)帶中間抽頭的繞組并聯(lián)繞制，這樣耦合效果最好。

4 輸出濾波電路的設(shè)計(jì)
圖1所示的整流濾波電路中，繞組n3和n4經(jīng)V1和V2以及L1，C1整流輸出65左右直流電壓，并完成第一級(jí)濾波；同樣n5和n6經(jīng)V3和V4以及L2，C2完成同樣的功能；R1、C3和V5組成第二級(jí)低通有源濾波電路，其中V5串聯(lián)在輸出電路中形成源極跟隨器，并通過(guò)R1和R2組成的比例器來(lái)設(shè)置工作點(diǎn)。
L3和C5，C6組成共模濾波器，主要濾除開關(guān)器件的開關(guān)尖峰引起的高頻共模噪聲。
根據(jù)公式(2)計(jì)算L1，L2的電感量：

式中：Vo為輸出電壓，單位為V；T為工作周期，單位為s；Io為額定輸出電流，單位為A。

輸出濾波電容C1，C2依據(jù)式(3)計(jì)算：

式中：Iout(max)為最大輸出電流，單位為A；f為工作頻率，單位為Hz；Dmin為最小工作占空系數(shù)；Vripple(p-p)為輸出紋波電壓峰-峰值，單位為V。