一種基于移相全橋的無人機(jī)用電源設(shè)計(jì)

黎 雁

（貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴州 貴陽 550008）

0 引 言

某型無人機(jī)電源提出的主要技術(shù)指標(biāo)要求如下，輸入電壓為三相交流電，線電壓為170～200 V，頻率為2～3 kHz，輸出電壓為直流（28.5±1） V，輸出電流為額定45 A，瞬態(tài)73 A。根據(jù)無人機(jī)電源的供電特性，本文設(shè)計(jì)了一種全波整流+移相全橋DC/DC變換+倍流整流的電源變換器。

1 電路構(gòu)成

電源變換器首先通過三相整流橋整流和濾波電路將輸入的三相交流電壓變換成直流電壓，直流電壓經(jīng)過全橋變換電路后整流輸出，轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的28.5 V電壓。由于在功率變換時(shí)需要對(duì)開關(guān)管進(jìn)行控制，因此電路中還包括控制信號(hào)電路和驅(qū)動(dòng)電路以及為控制和驅(qū)動(dòng)供電的輔助電源電路。電源變換器原理如圖1所示。

圖1 電路原理框圖

1.1 整流電路

先將輸入的三相交流電壓（線電壓170～200 V，頻率2～3 kHz）通過三相整流橋整流和濾波后變換成直流電壓，電壓約為228～280 V。

1.2 DC/DC變換電路

從技術(shù)要求看，輸入三相交流線電壓170～200 V經(jīng)過三相整流電路后進(jìn)行濾波，形成220～280 V的直流高電壓。變換器輸入電壓已接近300 V，屬于高輸入電壓范疇，一般電源設(shè)計(jì)時(shí)，輸入電壓高于200 V時(shí)就應(yīng)該采用ZVS技術(shù)，以降低開關(guān)損耗。雖然每一個(gè)拓?fù)浣?jīng)過一些輔助電路都能實(shí)現(xiàn)ZVS，但是在絕大多數(shù)的工業(yè)應(yīng)用中都是利用拓?fù)渥陨淼奶攸c(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。由于不同拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)ZVS難易程度不同，在有ZVS要求的場(chǎng)合，應(yīng)盡量選用容易實(shí)現(xiàn)ZVS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以減少額外的電路和代價(jià)[1]。

現(xiàn)有DC／DC拓?fù)渲校粚?duì)稱半橋和移相全橋等存在半橋結(jié)構(gòu)的橋臂，并且橋臂上的兩個(gè)開關(guān)互補(bǔ)導(dǎo)通，可以互相利用。作為ZVS的輔助開關(guān)，再利用變壓器的漏感、勵(lì)磁電感或是濾波電感作為抽取開關(guān)輸出電容上電荷的電流源，就可以不加任何其他電路實(shí)現(xiàn)ZVS[2]。又由于產(chǎn)品的輸出功率較大，選擇主開關(guān)管較多的電路拓?fù)溆欣诜稚⒐β?，降低管子的選型難度，同時(shí)利于熱設(shè)計(jì)。因此，本產(chǎn)品中DC/DC拓?fù)溥x用移相全橋ZVS方案，拓?fù)浼翱刂茣r(shí)序如圖2所示。其中圖2（a）為該方案的主電路拓?fù)?，圖2（b）為功率變換器移相控制時(shí)序。D1和D3輪流導(dǎo)通，各導(dǎo)通180°電角度，D2和D4亦輪流導(dǎo)通，但不是同時(shí)導(dǎo)通，而是D2先導(dǎo)通，D4后導(dǎo)通，兩者導(dǎo)通相差的電角度為α[3]。輸出電壓調(diào)寬波與導(dǎo)通角α有關(guān)，通過改變?chǔ)量梢钥刂戚敵鲭妷旱拿}沖寬度，從而控制輸出電壓的高低，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的[4]。

圖2 全橋變換器電路拓樸

1.3 輸出整流電路

輸出整流電路采用倍流整流濾波電路，與全波整流相比，倍流整流變壓器不需要中心抽頭，且變壓器副邊繞組電流值是負(fù)載電流的一半，因此結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，方便繞制[5]。另外，傳統(tǒng)的PWM移相全橋零電壓軟開關(guān)變換器利用變壓器的漏感或自感同開關(guān)管結(jié)電容諧振來實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān)。由于超前橋臂和滯后橋臂實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān)ZVS的條件不同，從而導(dǎo)致滯后橋臂實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān)ZVS的難度比超前橋臂要大得多[6]。輸出整流二極管反向恢復(fù)會(huì)引起次級(jí)較大的電壓尖峰，并且還存在由于輸出整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間而導(dǎo)致的副邊占空比丟失得情況[7-9]。采用倍流整流電路可以使用輸出濾波電感儲(chǔ)存的能量來實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVS，使超前橋臂和滯后橋臂均容易實(shí)現(xiàn)零電壓軟開關(guān)，同時(shí)有效抑制傳統(tǒng)全波整流副邊占空比丟失情況，還可以減小變壓器副邊電壓尖峰。

1.4 控制電路

控制電路采用UCC2895，UCC2895是美國(guó)TI公司生產(chǎn)的PWM控制器，適合于移相全橋電路。而且具有自適應(yīng)死區(qū)設(shè)置，可以適應(yīng)負(fù)載變化時(shí)不同的準(zhǔn)諧振軟開關(guān)要求[10]。

1.5 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路采用MIC4420，MIC4420是Micrel公司生產(chǎn)的集成驅(qū)動(dòng)塊，其峰值電流為6 A，能驅(qū)動(dòng)10 000 pF的容性負(fù)載。采用4只MIC4420分別驅(qū)動(dòng)4只開關(guān)管。

1.6 輔助電源

輔助電源電路采用振華微電子公司型號(hào)為“ZMDC270S12/6W”的DC/DC電源模塊，該電源模塊的輸入電壓為直流200～300 V，輸出電壓為12 V，輸出功率為6 W，能滿足控制及驅(qū)動(dòng)電路的用電需求。

2 詳細(xì)電路及參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 主功率電路

根據(jù)上文的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了如圖3所示的主功率電路。

輸入整流濾波電路采用V1～V3共3只IXYS公司的快恢復(fù)二極管模塊DSEI 2×30-06C組成整流橋，每只二極管的正向平均整流電流IFAV=30 A，正向壓降VF=1.4 V，反向耐壓VRRM=600 V，反向恢復(fù)時(shí)間trr=35 ns。產(chǎn)品工作時(shí)最高反向電壓約290 V，最大電流約11.1 A，可見該整流器件完全能夠滿足要求。輸入濾波采用SIC SAFCO公司的3只A705229 450 V-330 μF±20%電容器，耐壓為450 V，工作溫度范圍為-55～105 ℃。

主功率全橋電路采用全橋移相軟開關(guān)控制方案，開關(guān)功率管V5～V8選用IXYS公司的IXFN 70N60Q2。其耐壓VDSS=600 V，額定工作電流ID=70 A，導(dǎo)通電阻RDS=0.08 Ω，柵極電容CISS=7 200 pF。諧振電容采用CT81-2 kV-12b-2E3-222M。全橋移相電路的最大特點(diǎn)是4只功率開關(guān)管工作時(shí)，輸出脈寬波形的調(diào)整不是通過直接調(diào)整控制波形的脈寬來進(jìn)行，而是通過調(diào)整前、后橋臂的相位來進(jìn)行，從而能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通與關(guān)斷，大大減小開關(guān)損耗。

主功率變壓器采用VAC公司的超微晶鐵芯063-W435，其飽和磁密Bs可達(dá)1.2 T，選擇工作頻率f=50 kHz，工作磁密為0.25 T，經(jīng)計(jì)算得原邊匝數(shù)N1=51，副邊匝N2=16。采用φ0.56 mm的漆包線繞制，原邊16根并繞，副邊60根并繞，電流密度分別為1.7 A/mm2和 3.2 A/mm2。

輸出整流濾波電路中，整流管采用DSS 2×101-02A，該管的正向平均整流電流IFAV=2×100 A，正向壓降VF=0.84 V（IFAV=100 A），反向耐壓VRRM=200 V，SOT-227B封裝，產(chǎn)品工作時(shí)整流管承受的反向電壓約120 V（包含尖峰電壓），最大電流為73 A，整流器件技術(shù)指標(biāo)滿足要求。濾波電感采用798公司的鐵硅鋁粉芯磁環(huán)，采用25根φ0.63 mm的漆包線繞制18匝，電感量為35μH，電流密度分別為2.88 A/mm2。

2.2 輔助電路

輔助電路包括輔助電源、控制電路以及驅(qū)動(dòng)電路，具體如圖4所示。

圖4 輔助電路圖

其中，輔助電源采用振華微電子公司ZMDC270S12/6W電源模塊。該模塊輸入電壓為150～320 V，輸出電壓為12 V，輸出功率為6 W，能夠滿足產(chǎn)品內(nèi)部供電的需求?？刂齐娐凡捎肬CC2895，工作頻率f=50 kHz。采用由UCC2895內(nèi)部的誤差放大器及其外圍元器件組成穩(wěn)壓調(diào)節(jié)電路（調(diào)節(jié)器），采用比例積分微分（Proportion Integration Differentiation，PID）調(diào)節(jié)，可以使穩(wěn)壓環(huán)路獲得較好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。驅(qū)動(dòng)電路由驅(qū)動(dòng)塊MIC4420加隔離變壓器組成。MIC4420的峰值電流為6 A，能驅(qū)動(dòng)10 000 pF的容性負(fù)載，用來驅(qū)動(dòng)IXFN 70N60Q2（柵極電容7 200 pF）的VMOS管已足夠。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，生產(chǎn)了原理樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為了覆蓋輸入指標(biāo)要求，實(shí)驗(yàn)中選擇了3個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。3個(gè)測(cè)試點(diǎn)的輸入相電壓分別為96 V（對(duì)應(yīng)線電壓166 V）、107 V（對(duì)應(yīng)線電壓185 V）以及117 V（對(duì)應(yīng)線電壓202 V），完全覆蓋輸入線電壓170～200 V的要求。在每一個(gè)輸入電壓下，測(cè)試了樣機(jī)的輸入電壓、輸入功率、輸出電壓、輸出電流以及輸出紋波，并計(jì)算了樣機(jī)的轉(zhuǎn)換效率，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。由于受到現(xiàn)有輸入電源設(shè)備的限制，三相電源的頻率不能達(dá)到3 kHz，因此測(cè)試時(shí)降低了頻率，頻率的降低會(huì)使得輸入濾波效果變差。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看，在額定輸出電流為45 A時(shí)，電源變換器樣機(jī)的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到94.4%。在輸出73 A時(shí)，由于線路上的損耗增加，轉(zhuǎn)換效率有所降低，但仍大于90%，電源變換器樣機(jī)的效率能滿足要求。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

4 結(jié) 論

移相全橋電路在高輸入電壓和大功率輸出情況下具備相較于其他拓?fù)潆娐访黠@的優(yōu)勢(shì)，本文設(shè)計(jì)了一種用移相全橋電路作為主功率變換電路的用于無人機(jī)設(shè)備的電源變換器，該變換器樣機(jī)已經(jīng)過無人機(jī)飛行驗(yàn)證，能夠滿足無人機(jī)系統(tǒng)的供電需求。