基于模塊串聯的小功率變流器

摘 要:提出一種基于模塊串聯的適用于高壓輸入(1 kV以上)的DC/DC小功率變流器拓撲，分析其均壓均流原理，討論元器件參數對均壓均流的影響。采取模塊化設計，利用基本模塊在輸入側串聯的方法解決直流輸入電壓高于開關管最高耐壓的矛盾。在不增加控制復雜度的前提下，適當選取輸入側串聯模塊的級數，可使輸入電壓高到幾千伏甚至上萬伏。

關鍵詞:變流器;振蕩電路;基本串聯模塊;均壓均流原理

中圖分類號:TP274文獻標識碼:B

文章編號:1004-373X(2010)04-196-02

Low Power Current Transformer Based on Serial Module

YANG Zhaohui，ZHANG Jing，LIANG Baojuan

(School of Electronic and Control Engineering，Chang′an University，Xi′an，710064，China)

Abstract:A kind of Topology DC/DC low power current transformer based on serial module，which is applicable to the high voltage input(the 1 kV is above)is introduced.The basic principles of average voltage and average current are analyzed.The influence of component parameter on average voltage and average current is discussed.Adopting the module design，making use of the basic module in series of input side to solve the DC input voltage is higher than the highest pressure of switch.Without increasing the complexity of control，selecting the level of input serial module，making the input electric voltageas high as several thousand volts even ten thousand volts.

Keywords:current transformer;oscillating circuit;basic serial module;average voltage and average current

0 引 言

在一些特殊場合，需要將高輸入電壓(如1 kV以上)變為低輸出電壓供給輔助電源等設備，因此需要選用能滿足高輸入電壓的DC/DC變流器。由于MOSFET的耐壓等級大都在1 000 V以下，IGBT耐壓等級雖然較高但用在小功率場合顯然不經濟，因此用傳統的DC/DC變換電路實現有一定難度[1-3]。

1 電路結構

1.1 基本模塊

圖1給出了基本模塊的結構，基本模塊由一半橋DC/DC變換電路及其驅動電路兩部分構成。

圖1 基本模塊結構

為了便于增加輸入側基本模塊的串聯級數，每個基本模塊均由相應的驅動芯片控制，驅動芯片由基本模塊自身供電，靠其自激振蕩產生半橋電路的驅動信號。

采取50%恒占空比控制，為了避免半橋電路中橋臂的直通，應在其開關器件的驅動信號中加入一死區時間，其具體值由開關器件的開關特性決定[4-5]。

1.2 主電路拓撲

主電路采取三個基本模塊在輸入側串聯，輸出側并聯的方式，其拓撲如圖2所示。

2 工作原理

從主電路拓撲來看，輸入級由三個半橋結構的橋臂電容C1～C6串聯起來承受輸入電壓Vin，因此不可避免地存在電容的均壓問題;而輸出級由三組整流橋并聯起來共同對負載供電，故而存在均流問題。該電路靠輸出電壓VOUT在三個變壓器原邊的折算值對橋臂電容的箝位作用來實現均壓，在電壓均衡的基礎上自動均流[6-8]。

2.1 均壓原理分析

電路未起動時，靠電阻R1～R6實現靜態均壓。 電路正常工作時，三個基本模塊同時向負載供應能量。如果模塊1由于變壓器輸出電壓值偏低而使四個整流二極管均處于反偏狀態，則模塊2和模塊3將向負載提供更多的能量而其承擔的電壓下降，模塊1承擔的電壓相應升高，從而促使使其整流橋導通，達到新的穩態時它們共同向負載提供能量。

圖2 主電路拓撲

理想情況下，認為副邊整流二極管的導通壓降相同，三個變壓器為參數一致的理想變壓器。 實際電路中，整流二極管的導通壓降，變壓器的原副邊匝數和副邊繞組繞線電阻都會對均壓效果產生較大的影響。只要嚴格控制這些參數，便可取得良好的均壓效果。

2.2 均流原理分析

三個基本模塊輸入級的半橋單元為串聯結構，當它們承擔的電壓相同時，必定向后級供應相同的能量。當三個基本模塊的效率相同時，它們輸出的能量也應相同。而三個基本模塊輸出級的全橋整流單元均箝位于同一輸出電壓VOUT，故三個模塊向負載提供的電流相同。可見，在電壓均衡的基礎上，該電路可自動實現均流[9]。

另外，由于該拓撲不存在環流通路，所以，即使在三路電流略有不均的情況下也不會產生環流。

2.3 起動過程分析

實際電路中三個基本模塊的器件性能和元件參數的不一致性，使得當輸入電壓Vin逐漸上升時，三個基本模塊很難做到同時起動[10]。

在三個基本模塊均未起動時，由于電阻R1～R6的靜態均壓作用，使得三個基本模塊承擔的電壓相同。如果某一時刻，模塊1已起動，但模塊2和模塊3還均未起動。模塊1承擔的電壓將因其向后級供能而降低，模塊2和模塊3承擔的電壓則相應提高，從而逐一啟動。由于控制芯片有UVLO滯環控制，首先起動的模塊1將不會因其承擔的電壓降低而停止工作。

3 仿真與實驗

為了驗證均壓原理的正確性，用Sable仿真軟件對圖2所示的拓撲進行了仿真。仿真模型中，橋臂電容C1～C6均為22 μF，整流二極管正向導通壓降為0.76 V，輸入電壓VIN為1 000 V，輸出功率50 W。圖3給出的仿真結果，各曲線從上到下分別表示電容C1～C6的“+”端和直流負載線之間的電壓。

圖3 變壓器原副邊匝比對均壓影響的仿真結果

圖3(a)為三個基本模塊變壓器參數一致，原邊匝數均為75匝，副邊匝數均為112匝時的仿真結果;圖3(b)為基本模塊1變壓器副邊匝數偏小10%，即副邊匝數為101匝時的仿真結果。可見，變壓器原副邊匝比對均壓性能影響明顯，變壓器原副邊匝比偏大的模塊，其橋臂電容承擔的電壓較大。圖3(a)對應的仿真輸出電壓為247.32 V，圖3(b)對應的仿真輸出電壓為238.61 V，可以驗證，各電容承擔電壓的仿真值與理想情況下的理論分析結果(按式(1)得出的計算結果)相符。

4 結 語

在此提出了一種適用于高壓輸入的DC/DC小功率變流器拓撲。該拓撲采取模塊化設計;控制策略簡單，各模塊獨立控制，無需同步;該電路可實現自動均壓均流，無需附加措施，且不存在環流危害。當輸入電壓Vin變高時，只需增加輸入側基本模塊的串聯級數即可，因此本電路在高壓輸入下，特別是輸入電壓高達幾千伏甚至上萬伏時，具有一定的實用價值。

參 考 文 獻

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