电流型控制反激DC/DC变换器的设计与实现
电流型控制反激dc/dc变换器的设计与实现
摘要：介绍了一种大功率电流型控制反激dc/dc变换器的设计与实现，并提出了一种更简洁的储能式变压器的设计方法，设计并研制成功1kw27v/190v样机，具有过载短路能力强、体积小、重量轻等优点。
关键词：反激变换器；大功率；电流控制
1 引言
静止变流器一般采用dc27v/dc190v/ac115v400hz的变换结构，前级将输入的27v直流电转换为190v直流电，后级逆变环节将190v直流电变换为用电设备所需的115v/400hz交流电。由于反激变换器具有电路拓扑简洁、输入电压范围宽、输入输出电气隔离、体积重量小等优点，因而将其作为静止变流器的前级电路拓扑，将会使整个静止变流器的体积重量下降，以实现更高的功率密度。
2 电流型控制反激dc/dc变换器
2.1 功率电路
因为输入为低压大电流，故选用单管反激式拓扑结构，如图1所示。针对这一结构主功率开关上必须加缓冲电路，否则开关管关断时漏感能量无处释放，将会引起电压尖峰击穿功率管。常用的缓冲电路有lcd、rcd和有源箝位三种，考虑电路开关频率较高（80khz），所以lcd缓冲不可取；而采用有源箝位，箝位开关管要取很大电流定额，且变压器初级有很大环流不利于提高效率，故有源箝位也不可用；rcd缓冲具有无源、电路简洁的特点，如果参数调试合理不会对效率造成太大影响，故被实验样机采用。
图1 rcd缓冲单管反激式变换器电路拓扑
2.2 控制方案
反激变换器具有电流源性质，开环不能开路，否则输出电压极高。作为静止变流器的直流环节使用，当后级逆变桥的四个功率管均关断时，对前级的反激变换器输出端就相当于开路，因而必须采用电压闭环控制；同时为提高电源的性能，采用电流型控制技术，这种电流电压双闭环控制使系统具有瞬态响应快、稳定性高、内在限流能力等优点。
2.3 电路组成
研制的1kw样机电路，如图2所示。整个电路的核心为unitrode公司的电流型pwm芯片uc3843n，该芯片原用于设计200w以下的小功率开关电源，这里将其变通使用。q1、q2构成图腾柱以增大驱动能力，q3作射极跟随器取出uc3843的锯齿波，ct1取样主开关管的电流信号，r7、r8将电流信号与锯齿波相叠加作斜坡补偿，以消除电流控制型调节器在占空比大于50％时固有的次谐波振荡，r7、r8的比值可以决定斜坡补偿的深度。r13、d6构成基准电压源，q5为误差放大管，光电耦合器u3将误差电压反馈给uc3843n，构成电压闭环，同时保证电气隔离。
图2 原理样机电路组成
3 关键电路参数设计
3.1 储能式变压器
设电流临界连续时的功率为总输出功率的1/5，则
bm=b（1）
式中：bm为最大磁密；
b为偏置点磁密。
则磁密变化量δb为
δb=2(bm－b)（2）
原边匝数n1为
n1= （3）
式中：uimin为最小输入电压；
tonmax为开关管最大导通时间；
s为磁芯截面积。
电流临界连续时原边电感l1min为
l1min=η（4）
式中：pomin为临界连续功率；
ts为开关周期；
η为变换效率。
储能式变压器磁芯气隙δ为
δ=（5）
式中：i1p为原边最大峰值电流；
μ0为真空的磁导率。
3.2 功率开关管
开关管的电压应力uds和电流应力i1p分别为
uds=uimax＋uo (6.a)
i1p=i1avg＋δi=tonmax (6.b)
式中：i1avg为原边电感电流平均值；
δi为原边电流脉动值。
3.3 整流二极管
二极管d5的电压应力ud5和电流应力id5p分别为
ud5=ui＋uo(7.a)
id5p=i2p(7.b)
式中：i2p为副边最大峰值电流。
3.4 rcd箝位电路
箝位电容c6为
c6≥?（8）
式中：ureset为箝位电容c6的初始电压；
l1k为变压器原边对副边的漏感。
箝位电阻r3要满足
(uds－ui)≥uo（9）
式中：toff为开关管的截止时间。
3.5 死负载r10的选取
由于空载时占空比非常小，且会引起间歇振荡，需加上死负载，其值在调试中决定，在系统稳定的前提下，其阻值越大越好。
4 原理样机试验
设计实例：额定输出功率1000w，输入电压27v，输出电压190v，开关频率80khz，储能式变压器磁芯r2kbdpm74，绕组匝数n1/n2=4/28，磁芯气隙3.2mm，最大占空比为0.6，箝位电阻r3为51ω，箝位电容c6为5.6μf，箝位二极管d2为dsei60-06，整流管d5为dsei30-10，死负载r10取为10kω；电流互感器ct1的匝比是1/250，磁芯采用φ27超微金磁环。
样机试验波形如图3所示，图3（a）、（b）分别是空载时的开关管的电流波形和漏源电压波形，其中电流波形是从取样电阻r6上测得；图3（c）、（d）分别是满载时的开关管的电流波形和漏源电压波形。该电源从空载到满载时，输出电压波动小于1％uo，说明电源的负载调整率是相当高的。
ch1 5v ch2 25v m 5μ s ch1: ugs ch2: id （ a） 空 载 功 率 开 关 电 流 波 形
ch1 5v ch2 100a m 5μ s ch1: ugs ch2: uds （ b） 空 载 功 率 开 关 漏 源 电 压 波 形
ch1 5v ch2 25v m 5μ s ch1: ugs ch2: id （ c） 满 载 功 率 开 关 电 流 波 形
ch1 5v ch2 100a m 5μ s ch1: ugs ch2: uds （ d） 满 载 功 率 开 关 漏 源 电 压 波 形
图3 原理样机试验波形
5 结语
反激式变换器完全可用于大功率场所，且具有体积小重量轻的优点。研制成功的原理样机具有功率密度高、稳定性高、变换效率较高、内在的过载与短路电流限制等综合性能，在各种功率应用场所有重要的应用价值。
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