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一种低噪高输出电压DC—DC变换器设计

归档日期:05-11       文本归类:反馈控制      文章编辑:爱尚语录

  要求,采用初级侧隔离的负载端直接反馈控制方式,次级侧采用结合LC低通无源滤波电路和有源滤波电路的两级输出滤波电路设计方法。通过实验,不仅实现了高压DC-DC输出,而且通过优化设计,使得两级滤波器的体积较小,可靠性较高,实现了星载应用。

  某航天器设备需应用一种输入电压28 V、输出电压130 V的隔离式DC—DC变换器,因为该设备的控制精度要求高,因此对DC—DC变换器的输出噪声有严格的要求。深入分析该设备系统的工作状态,设计影响其正常工作干扰来自于DC—DC变换器的传导干扰,分为差模传导噪声和共模传导噪声。

  DC—DC变换器产生的干扰信号频谱一般在30 MHz以下,属于近场干扰。差模传导噪声中能量最大的一般为DC—DC变换器主开关频率处的频率分量,体现为输出的电压纹波;而共模传导噪声的频率相对要高很多,主要由线路的寄生参数引起,体现为输出的电压尖峰。

  通常DC—DC变换器输出噪声(包括电压尖峰与纹波)为输出电压的1%,对于有特殊要求的DC—DC变换器,可以通过一些关键电路的设计来解决,如滤波电路、开关器件的缓冲网络设计、有源滤波电路的设计、甚至采用软开关技术等。

  由于航天应用的特殊要求,某些地面应用的器件不能在空间应用,例如容量比较大的铝电解电容,由于不是密闭结构,因此不能在空间低气压条件下应用;而且空间应用要考虑失效模式的影响(FMEA),且不能存在单点失效故障,因此电容器要串并联使用,这样会减小电容器的有效容值,增大等效串联电阻(ESR)和电路设计的难度。

  因此概括起来该DC—DC变换器属于低压母线输入,中等输出功率(电流)的高输出高稳定DC—DC变换器。

  从功率需求、输出噪声以及闭环稳定性方面综合考虑,电路采用负载端直接采样反馈、电流型控制方式的推挽变换拓扑。输出滤波电路采用两级滤波电路。其中第一级采用LC低通滤波器。LC滤波器具有陡峭的频率响应,但是电感器件的非线性、分布电容的影响,使得实际设计的滤波器达不到理论上的性能,因此对于低噪声要求,不能仅采用LC低通滤波器。第二级采用有源滤波器。有源滤波器是利用有源器件(集成放大器、射随器等)组成的无感滤波器,可以组成低通、高通、带通滤波器等。近年来有源电力滤波器(APF)在电力系统智能控制中的应用越来越广泛,是一种新型的动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置,较无源滤波器有更好的适应能力。通过改变其控制策略,能达到治理不同谐波源的要求。因此,对有源电力滤波器的研究已成为一大热点,受到越来越多人的关注。

  LC低通滤波器的截止频率可以设计得较高,用于抑制较高频率的电源噪声。由于截止频率较高,这样滤波电感与电容元件参数值也不会太大,因此所需的滤波电感与电容元件的体积也较小;第二级的有源低通滤波器,用于抑制较低频率的电源噪声。由于采用了有源器件(MOS-FET管),会对电源效率造成一定影响,从实验结果来看,会使效率降低5%左右。

  为了使输出电压稳压PWM型开关电源的负反馈控制信号可以是输出电压、输出电流、输入电压(前馈)、输出电感电压以及开关器件峰值电流等。根据反馈控制信号的不同,一般分为电压型和电流型两种开关电源控制类型,其优缺点见表2所示。

  电流型控制又称峰值电流控制模式,是一种双环控制。输出电压采样反馈信号Vf再与基准电压信号Vref进行比较得到误差控制信号Ve,再与输出电感电流峰值三角波信号进行比较得到PWM控制信号,对开关功率管进行开关控制,实现闭环反馈控制。

  电流型控制是双环控制系统,由开关器件的峰值电流信号反馈的电流环(内环)和输出电压信号反馈的电压环(外环)构成。功率变换部分是由电流环控制的电流源,电压外环控制功率级的电流环。电流内环负责输出电感的动态变化,而电压外环只需控制输出电容。因此峰值电流控制模式要比电压型控制模式有大得多的带宽。

  为了低噪声要求,输出端采用了两级滤波器,为了闭环系统的稳定性,考虑采用电流型控制方式。

  式中:K1是简单的初级和次级绕组,一般取3,当次级绕组是交错在初级绕组两层之间时,取0.85;Lmt为整根绕线绕在骨架上每匝的平均长度,单位为in;nx为要分析的绕组所包含的匝数;W1为绕组的宽度,单位为in;Tins为绕组的绝缘厚度,单位为in;bw为制作好的变压器所有绕组的厚度,单位为in。

  从式(1)可以看出,对于好的变压器设计来说,主要是要选择中心柱较长的磁芯,可以使得绕组尽量宽;其次把绕组的匝数控制在最小程度,也可以有效地减小漏感,因为匝数和漏感的关系是平方关系;另外绕组之间的耦合好坏对漏感也有较大影响,因此在绕制过程中要尽量使绕组之间耦合紧密。

  由于输出电压较高,次级匝数也较多,例如采用MAG公司RM10的磁芯,次级要26匝,如果按照正常的全波整流方式,漏感引起的电压尖峰会很高,因此在变压器设计上结合输出整流电路,设计优化如下:

  (1)变压器的绕制采用“三明治”式绕法,即初级绕组先绕一半,再绕次级绕组,绕后再将初级绕组剩余的匝数绕完,并将次级绕组包裹在里面,这样漏感最小,原理图如图1所示,变压器绕制如图2所示;

  图1所示的整流滤波电路中,绕组n3和n4经V1和V2以及L1,C1整流输出65左右直流电压,并完成第一级滤波;同样n5和n6经V3和V4以及L2,C2完成同样的功能;R1、C3和V5组成第二级低通有源滤波电路,其中V5串联在输出电路中形成源极跟随器,并通过R1和R2组成的比例器来设置工作点。

  L3和C5,C6组成共模滤波器,主要滤除开关器件的开关尖峰引起的高频共模噪声。

  式中:Vo为输出电压,单位为V;T为工作周期,单位为s;Io为额定输出电流,单位为A。

  式中:Iout(max)为最大输出电流,单位为A;f为工作频率,单位为Hz;Dmin为最小工作占空系数;Vripple(p-p)为输出纹波电压峰-峰值,单位为V。

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