面向大型無人機(jī)的一種高頻大功率模塊電源設(shè)計(jì)

李中原，尚德堉，孫崢翰，周遠(yuǎn)鵬

（貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴州 貴陽 550008）

0 引 言

隨著國(guó)內(nèi)大型無人機(jī)市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，其供電技術(shù)發(fā)展迅速，無人機(jī)正朝著小型化、輕型化以及續(xù)航能力持久的方向發(fā)展，人們對(duì)大型無人機(jī)的功率、體積及重量提出了更高的要求[1]。目前適用于大型無人機(jī)供電的二次電源設(shè)計(jì)技術(shù)比較成熟，但是產(chǎn)品體積重量太大，嚴(yán)重影響了無人機(jī)飛行航程和使用壽命[2]。發(fā)電機(jī)電源變換器作為發(fā)動(dòng)機(jī)附件的核心設(shè)備，其體積和重量是關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，因此研制一種高頻、小體積且大功率的模塊電源作為電源轉(zhuǎn)換裝置十分必要[3]。

1 全橋移相電路原理

大型無人機(jī)的電源變換器一般采用非隔離Buck電路和隔離型全橋電路，為進(jìn)一步減小體積并提升效率，本設(shè)計(jì)采用全橋移相電路拓?fù)洌谟查_關(guān)全橋電路的基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，進(jìn)一步提升頻率和效率，原理圖如圖1所示[4]。V1和V2構(gòu)成一組橋臂，二者互補(bǔ)導(dǎo)通，V3和V4構(gòu)成一組橋臂，二者亦互補(bǔ)導(dǎo)通。V1和V2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別超前V4和V3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將V1和V2定義為超前臂，V3和V4定義為滯后臂。兩橋臂輸出電壓va和vb相差一個(gè)相位，通過移相角可控制變壓器初級(jí)的占空比，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓。利用移相原理及V1～V4并聯(lián)的電容來實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān)（Zero Voltage Switch，ZVS），以半個(gè)工作周期為例說明其工作原理。

圖1 全橋移相電路拓?fù)湓韴D

模態(tài)1：V1、V4導(dǎo)通且V2、V3截止，全橋左臂支路中點(diǎn)電壓va=Ec，右臂中點(diǎn)電壓vb=0，Ec為變壓器原邊兩端電壓。副邊整流二極管D1導(dǎo)通，D2截止，原副邊電流線性增大，電網(wǎng)能量不斷轉(zhuǎn)化為磁能存儲(chǔ)于電感線圈和送到負(fù)載。

模態(tài)2：V1截止，原邊電感線圈中的電流不會(huì)突變，仍然維持原方向。超前臂并聯(lián)電容C1和C2迅速充放電，與等效電感串聯(lián)諧振，使左臂中點(diǎn)電壓快速降低，副邊D1繼續(xù)正向?qū)ǎ珼2關(guān)斷。

模態(tài)3：諧振結(jié)束，C1和C2充放電完畢，V2體內(nèi)二極管VD2導(dǎo)通續(xù)流，V2實(shí)現(xiàn)零電壓開通。

模態(tài)4：V4截止，原邊電流對(duì)C4和C3充放電，C4充電導(dǎo)致滯后臂中點(diǎn)電壓vb由0變?yōu)檎担边呎鞫O管D2開始導(dǎo)通，而此時(shí)D1仍然導(dǎo)通，變壓器副邊繞組被鉗位為1.4 V，副邊反射到原邊的電感被切斷，使原邊滯后臂參與C3和C4充放電的串聯(lián)電感量劇減只剩下Ls。

模態(tài)5：滯后臂諧振結(jié)束，V3體內(nèi)二極管VD3導(dǎo)通續(xù)流，為零電壓開通創(chuàng)造條件。

模態(tài)6：V3零電壓開通，此時(shí)V2和V3都已導(dǎo)通，原邊電流按最大變化率下沖減小到0時(shí)，曾導(dǎo)通續(xù)流的二極管VD2和VD3自然關(guān)斷，形成新的供電通路，負(fù)半周功率輸出即將開始。

全橋移相變換器功能結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括全橋變換電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路、控制電路以及輔助電源等[5]。

圖2 全橋移相變換器功能結(jié)構(gòu)

2 電路詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 全橋移相變換電路設(shè)計(jì)

全橋移相變換電路如圖3所示，由VT1～VT4、Cr1～Cr4以及Lr組成。VT1～VT4均為MOS管，Cr1～Cr4均為諧振電容，Lr為諧振電感，包括功率變壓器的漏感。通過全橋變換，得到脈寬可調(diào)的高頻交流方波電壓[6]。

圖3 全橋移相變換電路

主功率管的耐壓為輸入直流母線電壓，最高電壓為400 V。功率開關(guān)管中流過的電流峰值為7.8 A，考慮電流應(yīng)力裕量和開關(guān)管的通態(tài)損耗，選用Infineon公司的MOS管SPB20N60C3，其主要參數(shù)為耐壓650 V，額定工作電流20.7 A，RDS導(dǎo)通電阻0.19 Ω，柵源極結(jié)電容2 400 pF，PG-TO263封裝。根據(jù)軟開關(guān)諧振條件，MOS管SPB20N60C3輸出結(jié)電容為780 pF，超前和滯后橋臂均無需并聯(lián)電容，超前臂死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)范圍為66 ns≤Δt≤625 ns，諧振電感利用變壓器的漏感。高頻變壓器設(shè)計(jì)成平面變壓器，平面磁芯選用PEE43A，變壓器變比為5.7，原邊繞組36匝，副邊繞組7匝。

2.2 輸出整流濾波電路設(shè)計(jì)

輸出整流電路選用的是全波整流電路，將變壓器副邊的高頻交流方波電壓整流和濾波得到28.5 V的直流電壓。電路由兩個(gè)整流二極管、濾波電感以及濾波電容組成[7]。由于二極管存在反向恢復(fù)時(shí)間，因此為減小共同導(dǎo)通損耗，必須選取反向恢復(fù)時(shí)間短的整流二極管。整流管上承受的最大反向壓降為105 V，由于漏感的存在，整流管在開關(guān)時(shí)會(huì)有一定的振蕩尖峰，副邊整流管流過的峰值電流為35 A，因此可以選取IXYS公司的肖特基二極管DSA120×200LB。其主要參數(shù)為最大正向連續(xù)電流65 A，反向耐壓200 V，正向管壓降0.67 V，SMPD封裝[8]。濾波電感應(yīng)保證直流輸出電流為最小規(guī)定電流（通常為額定負(fù)載電流的10%）時(shí)，電感電流保持連續(xù)，電感取值7.4 μH，設(shè)計(jì)成平面電感，磁芯選用PQ50/50。輸出濾波電容的容值為455 μF，根據(jù)測(cè)試紋波大小適當(dāng)調(diào)整。

2.3 功率損耗計(jì)算和分析

功率損耗主要由MOS開關(guān)管損耗、功率變壓器損耗、輸出整流管損耗以及濾波電感損耗等構(gòu)成[9]。經(jīng)過計(jì)算，4個(gè)MOS管總損耗39.56 W，功率變壓器損耗3.2 W，輸出整流管損耗23.45 W，濾波電感損耗6.8 W，其他損耗9.99 W，產(chǎn)品功率總損耗為83 W，整機(jī)效率約為92.3%。

3 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)研制了一臺(tái)額定輸入為200～400 V、額定輸出為28 V且額定功率為1 kW的樣機(jī)，樣機(jī)相關(guān)實(shí)物組成如圖4所示。

圖4 樣機(jī)相關(guān)實(shí)物

經(jīng)過試驗(yàn)，由于變壓器漏感較小，在輕載時(shí)開關(guān)管沒有實(shí)現(xiàn)ZVS，在滿載時(shí)開關(guān)管都實(shí)現(xiàn)了ZVS，效率曲線如圖5和圖6所示。

圖5 滿載1 kW條件下效率曲線

圖6 額定270 V條件下帶載效率曲線

由于輕載時(shí)無零電壓軟開關(guān)，開關(guān)管開關(guān)損耗大，因此帶載效率曲線呈現(xiàn)中間高兩頭低的趨勢(shì)。重載時(shí)實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān)，但開關(guān)管自身的導(dǎo)通損耗增加，帶載500 W是效率最佳平衡點(diǎn)和最高點(diǎn)，此時(shí)效率達(dá)到92%[10]。

4 結(jié) 論

本文詳細(xì)分析了全橋移相變換器的工作原理，對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，在理論設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上制作了高頻大功率模塊電源樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的全橋移相變換器體積小且效率高，可以在大型無人機(jī)電源變換器的設(shè)計(jì)上推廣應(yīng)用。