移相全橋ZVS直流變換器技術(shù)研究

張 帥，楊香兵，查文琦

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，江蘇 南京 211106)

0 引 言

現(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)、固態(tài)發(fā)射機(jī)的380 V三相交流電源組件，基本上全部用于為功放或TR組件提供電能。電源組件由三相功率因數(shù)校正(PFC)模塊和DC/DC模塊兩級(jí)組成。DC/DC模塊將前級(jí)PFC輸出的高壓直流電轉(zhuǎn)化為低壓直流電，供給TR組件等使用。相控陣?yán)走_(dá)功率的提高，體積的限制，對(duì)DC/DC模塊的并聯(lián)使用、功率密度等方面也提出了要求。

1 工作原理

1.1 全橋變換器控制策略

相控陣和固態(tài)發(fā)射機(jī)電源組件中，DC/DC電源模塊主要是把前級(jí)三相PFC整流輸出的數(shù)百伏直流電壓轉(zhuǎn)換成隔離的低壓直流電。DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很多，比如Buck、Boost、Flyback、Forward等[1]，這些變換器有各自的應(yīng)用功率等級(jí)。針對(duì)相控陣?yán)走_(dá)的工作特點(diǎn)，在中大功率場(chǎng)合，一般采用全橋變換器。而為了實(shí)現(xiàn)高效和高可靠性，普遍采用零電壓開關(guān)(ZVS)技術(shù)。全橋變換器控制方式主要有：雙極性控制(硬開關(guān))、移相控制、下管調(diào)制法和有限雙極性控制。目前芯片廠商較多使用的是移相控制和下管調(diào)制法。

本文采用移相控制零電壓軟開關(guān)技術(shù)，使用TI公司UCC2895作為控制芯片。移相控制法4個(gè)開關(guān)管均使用50%占空比，同一橋臂的驅(qū)動(dòng)電壓互補(bǔ)，相位相差180°，而超前橋臂和滯后橋臂相差1個(gè)相位角。通過調(diào)節(jié)該角度大小來調(diào)節(jié)輸出電壓。

1.2 移相全橋ZVS DC/DC變換器

圖1為移相全橋拓?fù)涞碾娐穲D[2]，其中Q1～Q4是4個(gè)開關(guān)管,D1～D4為4個(gè)開關(guān)管的寄生二極管，C1～C4為4個(gè)開關(guān)管的寄生電容或者外部電容，Lr為諧振電感，為變壓器漏感與外接電感之和，T為功率變壓器，Lf與Co為輸出濾波電感和電容，DR1、DR2為變壓器副邊的整流二極管。

圖1 移相全橋拓?fù)潆娐穲D

移相全橋中同一橋臂的2個(gè)開關(guān)管以180°互補(bǔ)導(dǎo)通，Q1和Q3分別超前于Q2和Q4，則 Q1和Q3為超前臂，Q2和Q4為滯后臂，如圖2所示。

圖2 移相控制

圖3為移相全橋ZVS變換器的主要波形。

圖3 移相全橋ZVS變換器主要波形

2 DC/DC電源模塊設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

針對(duì)相控陣?yán)走_(dá)和固態(tài)發(fā)射機(jī)對(duì)直流變換電源的使用需求，提出了對(duì)DC/DC電源模塊的設(shè)計(jì)指標(biāo)，如表1所示。

表1 DC/DC電源模塊設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.2 器件選型及參數(shù)設(shè)計(jì)

DC/DC電源模塊設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，主功率電路采用移相全橋拓?fù)洌渲械年P(guān)鍵元器件：諧振電感Lr、變壓器T、功率開關(guān)管Q1～Q4、輸出濾波電容Co，輸出濾波電感Lf，需要根據(jù)功率等級(jí)及性能指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。

2.2.1 變壓器設(shè)計(jì)

由于輸出電流及功率較大，采用原邊2個(gè)變壓器串聯(lián)、副邊并聯(lián)的形式。為了減少磁性元器件體積，設(shè)計(jì)工作頻率為100 kHz，變壓器材料選用軟磁鐵氧體。

根據(jù)前級(jí)PFC模塊輸出360～420 V(DC)，考慮到占空比丟失，額定負(fù)載時(shí)，選擇副邊最大占空比Dmax=0.85，則變壓器副邊最低電壓為：

(1)

式中：Vo為輸出電壓最低值；Vr為變壓器副邊繞組內(nèi)阻電壓降及線壓降；VD為導(dǎo)通二極管壓降。

可得原副邊匝比為n=Np/NS=Vinmin/Vsmin，經(jīng)計(jì)算，取n=3，再根據(jù)AP法[3]計(jì)算并選擇合適的磁性和原副邊具體匝數(shù)。

2.2.2 整流二極管選擇

輸入電壓最大值為420 V，匝比為3，則副邊電壓應(yīng)力為70 V，電流應(yīng)力為60 A，頻率為200 kHz，應(yīng)選擇快恢復(fù)二極管。綜合以上參數(shù)，選擇IXYS公司的DSEI2X101-06 A。主要電氣參數(shù)如表2所示。

表2 整流二極管電氣參數(shù)

2.2.3 開關(guān)管選擇

根據(jù)輸入輸出參數(shù)，假定效率為0.92，則其輸入功率為Pin=Pout/η=5.435 kW，根據(jù)前級(jí)PFC輸出電壓即DC/DC電源模塊360 V～420 V，可得：Iin=Pin/Vin=12.9～15.1 A。

為了減少無源器件的重量，開關(guān)頻率選擇為100 kHz，則開關(guān)管為MOSFET，考慮到器件裕量，選擇器件IXFH60N65X2作為開關(guān)管。主要電氣參數(shù)如表3所示。

表3 開關(guān)管電氣參數(shù)

2.2.4 輸出LC參數(shù)

輸出LC電路和BUCK電路相似。帶阻性負(fù)載下，輸出濾波電感可按如下公式計(jì)算：

(2)

式中：VLF為電感壓降；VF為二極管壓降。

輸出電容可按如下公式計(jì)算：

(3)

式中：ΔUC為紋波值。

如果帶脈沖負(fù)載，瞬間輸出電流較大，電容Co還起到儲(chǔ)能作用，根據(jù)公式：

(4)

計(jì)算出電容值，其中Imax為最大脈沖電流；Tmax為最大脈沖寬度；U為輸出電壓；U1為脈沖時(shí)允許下降到的輸出電壓。

2.3 并聯(lián)均流電路設(shè)計(jì)

開關(guān)電源的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、并聯(lián)運(yùn)行是雷達(dá)電源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。并聯(lián)運(yùn)行使得在標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化后大電流輸出成為可能，同時(shí)也增加了整個(gè)電源系統(tǒng)的靈活性和冗余。采用多個(gè)模塊并聯(lián)時(shí)，由于每個(gè)模塊輸出電壓不能保持完全一致，輸出阻抗也會(huì)有所差別。若直接將模塊并在一起，由于輸出電壓相同，輸出電流就存在差異。輸出電流小的電壓，效率較低；輸出電流過大的電源，使用壽命減少。

因此，并聯(lián)的電源模塊均流輸出是電源并聯(lián)運(yùn)行中非常重要的問題。

通過外加的均流電路，使得模塊之間輸出電壓一致，通過調(diào)整電壓來控制輸出電流。常用的方法有下垂法、主從控制法、平均電流法、最大電流法。圖4所示為DC/DC電源模塊采用的峰值電流均流電路。其中Vf與電壓環(huán)輸入端相連，Iout為輸出電流采樣，Ishare為均流母線，Vcc為供電電壓。

圖4 并聯(lián)均流電路

假設(shè)有N個(gè)模塊并聯(lián)，模塊輸出電流分別對(duì)應(yīng)一個(gè)電壓，則均流母線上體現(xiàn)的是模塊輸出電流最大模塊對(duì)應(yīng)的電壓Vx。這個(gè)模塊稱為主模塊，由電路圖可看出，電路會(huì)調(diào)整所有模塊輸出電流向主模塊對(duì)應(yīng)的電流靠近，但是由于均流母線電壓與主模塊電流對(duì)應(yīng)電壓相差1個(gè)二極管D1的壓降，因而從模塊輸出電流只能緊跟主模塊，而不超過主模塊。當(dāng)單個(gè)模塊工作時(shí)，外部給定的基準(zhǔn)電壓U1保證O1輸出高電平，結(jié)合二級(jí)管D2，均流電路此時(shí)不工作。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 驅(qū)動(dòng)波形及分析

圖5為4個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電壓波形。圖中1、2為超前橋臂上下管Q1、Q3的驅(qū)動(dòng)電壓波形，3、4為滯后橋臂上下管Q2、Q4的驅(qū)動(dòng)電壓波形。可以看到上下管互補(bǔ)導(dǎo)通，且有一定的死區(qū)時(shí)間，避免了直通。

圖5 四路驅(qū)動(dòng)電壓波形

3.2 主電路測(cè)試波形及分析

超前橋臂下管Q3、滯后橋臂下管Q4的驅(qū)動(dòng)波形和對(duì)應(yīng)的GS電壓波形如圖6所示。例如，在開關(guān)管Q3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)開通時(shí)，由于其體二極管的箝位作用，Q3兩端的電壓已經(jīng)降到并被箝在零位，此時(shí)開關(guān)管Q3零電壓開通。同理，Q3也是零電壓關(guān)斷。ZVS減小了開關(guān)管開關(guān)時(shí)電壓和電流的重疊部分，減小了電壓和電流尖峰，具有很小的損耗。

圖6 下管驅(qū)動(dòng)波形和對(duì)應(yīng)的電壓波形

橋中點(diǎn)AB間的電壓波形如圖7所示。由圖中可看出VAB最大值為輸入電壓，實(shí)驗(yàn)波形與圖3中的理論分析波形相似。

圖7 滯后臂下管驅(qū)動(dòng)和橋中點(diǎn)電壓波形

3.3 并聯(lián)均流測(cè)試

為了測(cè)試并聯(lián)均流情況，將2個(gè)相同的DC/DC電源模塊進(jìn)行并聯(lián)。通過電流探頭測(cè)得2個(gè)模塊輸出電流的波形如圖8所示。由圖中可看出，在總電流100 A時(shí)，一路模塊輸出電流平均值為48.52 A，另一路為50.52 A，均流度為2%。

圖8 兩模塊均流實(shí)驗(yàn)輸出電流波形

使用電流鉗表測(cè)試了輕載至重載條件下2臺(tái)電源的均流數(shù)據(jù)，如表4所示。其中NO.1、NO.2分別為2臺(tái)電源并聯(lián)時(shí)的輸出電流值。由表4可知，均流度小于10%，均流情況良好。

表4 均流度測(cè)試

3.4 上機(jī)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證所研電源在雷達(dá)系統(tǒng)中的適用性，在某型固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)中進(jìn)行了上機(jī)實(shí)驗(yàn)。

圖9為固態(tài)發(fā)射機(jī)10%占空比靜態(tài)工作、電流有效值35 A下的實(shí)驗(yàn)波形。其中1通道為輸出電壓交流值，4通道為輸出電流波形。

圖9 靜態(tài)下10%占空比

圖10為固態(tài)發(fā)射機(jī)15%占空比工作狀態(tài)、電流有效值88.4 A下的實(shí)驗(yàn)波形。峰值電流接近190 A。

圖10 工作狀態(tài)15%占空比

實(shí)驗(yàn)波形符合理論分析，通過電流鉗表測(cè)得2臺(tái)電源并聯(lián)均流度良好。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)相控陣?yán)走_(dá)TR組件和固態(tài)發(fā)射機(jī)末級(jí)功放組件對(duì)大功率、可并聯(lián)電源組件的需求，研究了移相全橋拓?fù)涞墓ぷ髟恚o出了電路主要元器件的計(jì)算選型，設(shè)計(jì)出了并聯(lián)均流電路。研制了2臺(tái)額定輸入直流400 V、額定輸出電壓38 V、功率5 kW的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，額定條件下效率為92.5%，并聯(lián)均流情況優(yōu)異，上機(jī)實(shí)驗(yàn)效果良好，為開關(guān)電源在大功率相控陣?yán)走_(dá)和固態(tài)發(fā)射機(jī)中的批量運(yùn)用提供了技術(shù)支持。