級聯型航空靜止變流器直流環節電路拓撲研究

1 引言

　　靜止變流器是飛機供電系統的一個重要組成部分,用于將28V直流電變換為400Hz交流電，由于輸入電壓低，航空靜止變流器的效率一般不超過80%。為實現靜止變流器的模板化和高效率，提出了級聯型航空靜止變流器方案 ，由四臺逆變橋的輸出級聯得到系統輸出，對應由四臺高頻直流變換器提供四臺逆變橋所需要的隔離直流電源。由于級聯逆變器采用低壓功率場效應管和低開關頻率，具有很高的效率，因此新型航空靜止變流器的效率主要取決于直流變換環節。
　　1kVA新型航空靜止變流器的直流環節的設計功率為300W，輸入為18—32V，輸出為48V，輸入電壓低、電流大。在輸入低壓大電流應用場合，推挽電路和單端正激電路是兩種可選方案。但推挽電路存在變壓器鐵芯偏磁、開關管關斷時漏感能量在開關管上引起高的電壓尖峰等問題。正激電路變壓器為單向磁化，磁芯利用率低，同時還需要附加去磁電路，使電路變得復雜。一種新的電路拓撲——推挽正激電路 ，集中了正激電路和推挽電路的優點，同時克服了二種電路的缺點，具有：a）抑制變壓器的鐵芯偏磁；b）變壓器磁芯雙向磁化；c）抑制開關管兩端的關斷電壓尖峰等優點，是新型航空靜止變流器直流環節的優選電路方案。
　　本文首先介紹了推挽正激變換器的工作原理，然后分析了推挽正激電路的三種副邊整流結構，最后通過實驗比較，得出了適用于新型航空靜止變流器的直流變換器方案。

2 推挽正激變換器工作原理分析

　　圖1為副邊采用全橋整流結構的推挽正激變換器。該變換器的兩個開關管和兩個變壓器初級交替連接成一個回路，在回路兩個相對的中點之間接有一個電容，另兩個點接電源。兩個初級有相同的匝數。D1, D2是場效應功率晶體管的體二極管。
　　如圖1所示，輸入電源、電容C、開關管

和

組成一個回路。電容C的電壓

等于輸入電壓

。

圖1 推挽正激電路圖
　　該回路滿足等式：

　　　　　　　(1)
　　因為開關管兩端電壓 ，　0（若電壓反偏，則體二極管導通，電壓被鉗位在零），所以開關管兩端電壓的 最大值為兩倍的輸入電壓。圖2所示為其穩態時工作原理波形。

圖2 工作原理波形
　　（1）工作模態1，t1－t2期間
　　開關管VQ1導通，VQ2關斷。這期間電容上電壓是輸入電壓，當VQ1導通時電源電壓加在W1上，電容電壓

加在W2上，這時初級相當于兩個正激電路并聯。
　　流過初級W1的電流

等于：

　　　（2）　　　　　　　　　　　
　　流過初級W2的電流

等于：

　　　（3）　　　　　
　　流過開關管的電流

等于：

　　　　（4）　　　　　　　　　　　　　　　
　　輸入電流

等于：

（5）　　　　　　　　　　　　　　
　　式中：

——負載電流
　　　　　

——磁化電流
　　　　　

——漏感平均電流
　　漏感電流的值由占空比和空載電流決定，N為變壓器次級線圈和初級線圈的變比。
　　輸入電流的峰值與1/2負載電流成正比。當開關管VQ1關斷時，此模態結束。
　　（2）工作模態2，t2－t3期間
　　這期間變壓器漏感電流釋放。由式（2）、式（3）可知，在t1－t2期間，

一直大于

，VQ1關斷時，因為

大于

，VQ2的體二極管導通，為漏感電流提供釋放回路。
　　在t2時刻，

和

分別為：

　 (6)

　 (7)
　　式中

磁化電感
　　此期間，輸入電壓

在W2上，電容電壓

在W1上，釋放漏感上的能量。當

、

相等時，此模態結束。整個期間，

被鉗位在2倍輸入電壓，

為零。此模態的時間長度為：

　 （8）
　　式中

——初級漏感（設兩漏感相等）
　　（3）工作模態3，t3－t4期間
　　在這期間，VQ1和VQ2都關斷。設電容C上的電壓為穩定的輸入電壓

(電容取足夠大)。漏感電流經過電源、W1、C和W2,由于電源電壓和電容電壓相等，漏感電流保持不變。當開關管VQ2導通時此模態結束。
　　（4）工作模態4，t4－t5期間
　　t4時刻W1和W2的漏感電流相等,當開關管VQ2導通時，此期間電源電壓加在W2上，電容電壓加在W1上，流過開關管的電流

、

為：

　　　 (9)

　　　 (10)

　　(11)　　　　　　　　　　
　　此模態的持續時間是：

　 (12)
　　下半個開關周期的工作模態和上半個周期基本相同，不再贅述。

3 推挽正激變換器的三種次級整流電路分析

3.1 三種次級整流電路的工作原理分析

圖3 全橋整流結構與波形圖

圖4 全波整流結構與波形圖

圖5 倍流整流結構與波形圖
　　圖3、4、5分別為適用于推挽正激電路的三種輸出整流結構：全橋整流結構、全波整流結構和倍流整流結構。

3.1.1 全橋整流結構

　　如圖3所示，當變壓器的次級電壓

為正時，

、

和變壓器次級形成回路，

、

關斷，同時電感電流

增大并流經負載。當變壓器的次級電壓

為負時，其過程也類似。當變壓器次級電壓

為零時，

、

和

、

同時導通，對電感電流進行續流。
　　在功率開關管導通時

　 （13）
　　開關管關斷時　　

　　　 （14）
　　由上二式：　　　

　　　（15）

3.1.2　全波整流結構

　　如圖4所示，當變壓器的次級電壓

為正時，

和變壓器次級的上半線圈形成回路，

關斷，同時電感電流感電流

增大并流經負載。當變壓器的次級電壓

為負時，其過程也類似。當變壓器次級電壓

為零時，電感電流分別經上半線圈、

和下半線圈、

續流。
　　在功率開關管導通時

　（16）
　　開關管關斷時　　

　　　　　（17）
　　由上二式：　　　

　　　　 （18）

3.1.3　倍流整流結構

　　如圖5所示，當變壓器的次級電壓

為正時，

關斷，電感

的電流

增大并流經負載，

和變壓器次級形成回路，同時電感

的電流

減小，它流經負載和

形成回路。當變壓器次級電壓

為負時，其過程也類似。而變壓器的次級電壓為零時，則電感

和

的電流分別流經

和

形成回路，即

和

同時導通。
　　在功率開關管導通時

　　（19）
　　開關管關斷時　　　　

　　 （20）
　　由上二式：　　　　　

　　（21）

3.2　次級三種整流結構比較

3.2.1　輸出濾波電感

　　全橋整流結構和全波整流結構中流過濾波電感的電流平均值等于輸出電流平均值，而在倍流整流結構中，單個濾波電感上的電流是輸全橋整流結構和全波整流結構中流過濾波電感的出電流平均值的一半。
　　全橋整流結構和全波整流結構中，輸出濾波電感的電壓頻率是功率開關管的兩倍，而倍流整流結構中，兩個輸出濾波電感的電壓頻率與功率開關管相同，同時由于輸出電流紋波是兩電感電流紋波的和，因此在要求相同輸出電流紋波情況下，倍流整流結構中單個濾波電感的值是全橋和全波整流濾波電感的兩倍。

3.2.2　變壓器次級線圈匝數

　　由式（15）（18）（21）可知，在相同輸入電壓，相同初級線圈匝數和相同的開關管導通占空比下，要使得輸出電壓相同，全波整流結構和倍流整流結構的次級線圈總匝數是全橋整流結構的兩倍。
　　同時由三種整流結構工作原理的分析可知，全橋整流結構和全波整流結構中變壓器次級中電流均為倍流整流結構中變壓器次級電流的2倍。

3.2.3　整流管最大電壓應力

　　由于在相同輸入電壓，相同初級線圈匝數和相同的開關管導通占空比下，要得到相同的輸出電壓，全波和倍流整流結構的次級線圈匝數是全橋整流結構的兩倍。因此全波和倍流兩種整流方式中整流管的最大電壓應力為全橋整流方式中2倍。但由于全橋整流方式中整流管的數目是其他兩種整流方式的2倍，這就可能使得整流電路的導通壓降的增加。

3.3　電路的適用性分析

　　全橋整流方式適用于輸出高壓場合。
　　全波整流方式適用于輸出中低壓場合。
　　鑒于倍流整流的獨特結構，它尤其適用于輸出低壓大電流場合。由于倍流整流結構中的變壓器和濾波電感可以公用一個磁芯，因此可簡化元件的封裝和減小體積。目前， 48V輸入、1.2V/70A輸出的變換器滿載效率可達到85% 。

4 實驗研究

　　1kVA新型航空靜止變流器需要獨立的四路48V直流電，因此直流變換環節的設計指標為：輸出功率300W，輸入電壓為18—32VDC，輸出電壓為48VDC，開關頻率為100kHz。
　　基于此指標設計了三種次級整流方式的直流變換器樣機。三臺樣機的原邊開關管

、

均采用IRFP150，原邊箝位電容C為

，采用CL233型金屬化聚酯膜介質電容器，變壓器采用EE42鐵芯，輸出濾波電容為

，采用電壓控制方式。
　　（1）全橋整流樣機
　　變壓器原副邊變比為2：2：7電感為

；副邊整流二極管選用DSEP30—03A。
　　（2）全波整流結構
　　變壓器原副邊變比為2:2:7:7；輸出濾波電感為

；副邊整流二極管選用DSEP30—06A。
　　（3）倍流整流結構
　　變壓器原副邊變比為2:2:14；輸出濾波電感

；副邊整流二極管選用DSEP30—06A。
　　由于三種副邊整流方式對變換器的原邊工作無影響，變換器的主要工作波形是相同的。圖6、圖7給出了推挽正激變換器變壓器原邊電流和箝位電容電壓波形。實驗波形與理論分析吻合，說明了樣機設計參數的合理性。

通道1：變壓器原邊電流波形
　通道2：開關管驅動波形
圖6 變壓器原邊電流波形

通道1：原邊箝位電容電壓波形
通道2：開關管驅動波形
圖7原邊箝位電容電壓波形
　　表1和表2給出了三臺樣機分別在20V和28V輸入和不同負載時的效率數據。
表1 樣機實驗數據（輸入電壓20V）

表2 樣機實驗數據（輸入電壓28V）

　　由表1和表2可見，對于新型航空靜止變流器，直流變換器采用推挽正激全波整流電路可以得到最高的效率，在全部輸入電壓范圍內，額定負載時效率可達到89%以上，達到了Vicor第二代電源模塊的性能指標 。

5 結語

　　（1） 新型航空靜止變流器中的低壓大電流直流環節是影響其效率的關鍵因素。推挽正激變換器具有防止開關管的電壓尖峰和抑制變壓器偏磁的特點，是輸入低壓大電流場合的優選方案。
　　（2） 研制了推挽正激電路采用三種次級整流方式的直流變換器樣機，采用全波整流結構可以達到最高的效率，樣機的效率達到了Vicor第二代電源模塊的性能指標。
　　（3） 本文的研究為實現航空靜止變流器效率超過85%奠定了基礎。
　　
參考文獻

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