一種新型高壓輸入開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)

李江達(dá)，韓留軍，曾 正

（1.無(wú)錫中微愛(ài)芯電子有限公司，江蘇 無(wú)錫 214035；2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

1 前 言

近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄娫吹捏w積、重量、效率等方面提出了越來(lái)越高的要求。以電流型PWM控制器為核心的高頻開(kāi)關(guān)電源由于具有體積小、重量輕、效率高、線路簡(jiǎn)潔、可靠性高以及具有較強(qiáng)的自動(dòng)均衡各路輸出負(fù)載的能力等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于中小功率的場(chǎng)合。

本文給出了一種用于燃料電池控制的新型高壓輸入雙管反激電源的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)基于UC3844高性能電流型PWM控制器，采用電壓反饋和電流反饋雙閉環(huán)串級(jí)結(jié)構(gòu)，使輸出電壓能夠很好地穩(wěn)定，電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率都較高。

2 雙管反激變換電路的特點(diǎn)

反激電路是現(xiàn)代電力電子技術(shù)中應(yīng)用廣泛的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于小功率場(chǎng)合。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由Buck-Boost 結(jié)構(gòu)加上隔離變壓器推演得到，圖1所示的雙管反激變換電路，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通同時(shí)關(guān)斷，在功率管關(guān)斷時(shí)，由于變壓器漏感能量通過(guò)續(xù)流二極管D1和D2回饋給輸入側(cè)，使功率開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力被箝位在輸入電壓。因此在高壓輸入場(chǎng)合雙管反激電路有其特有的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 雙管反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

雙管反激變換器有以下特點(diǎn)：

（1）在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)存在漏感中的能量經(jīng)續(xù)流二極管回饋給電源，系統(tǒng)能量損失小，效率高；

（2）有效抑制關(guān)斷電壓尖峰，使開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力為輸入電壓，與單端反激變換器相比，功率器件可選取耐壓較低的管子；

（3）與單管反激變換器相比，不需要額外的吸收電路，可靠性提高。

3 模塊設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)分析

3.1 設(shè)計(jì)要求

輸入電壓范圍Vin=150V～400V；Vin（typ）=360V±20V。

模塊的輸出電壓Vo=24V±1V；模塊額定輸出電流Io=4.25A。

效率考核條件為：輸入電壓360V±20V，輸出電壓24V±1V，輸出電流3.33A±0.2A，η>90%。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)及原理分析

圖2 電路原理圖

3.2.1 主電路部分（如圖2）

當(dāng)Q1、Q2導(dǎo)通，電源電壓將加在原邊LP其漏感LLP兩端，設(shè)繞組的同名端為正，輸出整流二極管D3、D4、D6反偏關(guān)斷，因此在原邊“導(dǎo)通”期間，副邊無(wú)電流流過(guò)，副邊漏感LLs可以忽略。

在“導(dǎo)通”期間變壓器原邊電流線性增加由式（1）定義。

3.2.2 輔助供電部分（如圖2）

R1、R2是UC3844的啟動(dòng)電阻，直流高壓經(jīng)R1、R2給電容C4充電，當(dāng)C4兩端電壓沖到16V時(shí)，UC3844啟動(dòng)工作，在變壓器繞組Ls2產(chǎn)生的感應(yīng)電壓經(jīng)過(guò)D3、D4整流后繼續(xù)給UC3844提供工作電壓。R1、R2電阻值可按照下式計(jì)算：

取C4的充電電流為1.5mA，通過(guò)計(jì)算可得R1=180kΩ，R2=20kΩ。

啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間：

3.2.3 隔離電壓反饋部分

采用TL431、PC817作為參考、隔離、取樣。其電路圖如圖3所示。

取Ika=If+IR6-IR7=3+2.18-0.21=4.97mA。再看TL431的技術(shù)參數(shù)知，Vka在2.5V～37V變化時(shí)，Ika可以在1mA～100mA以內(nèi)的很大范圍里變化，所以本設(shè)計(jì)Ika和Vka均符合設(shè)計(jì)要求。

3.3 磁性元件設(shè)計(jì)

3.3.1 高頻變壓器設(shè)計(jì)

圖4 PC817不同Ic下的IF 、VS 、VCE

選取金寧磁芯JP3材質(zhì) EI33磁芯，引入公式：

其中，Lmin為臨界電感；T為UC3844工作周期；LP1為變壓器初級(jí)電感；Po為額定輸出功率；lg為磁芯氣隙長(zhǎng)度；ΔBm為脈沖磁感應(yīng)增量（T）；Ip1為原邊峰值電流。

由以上公式計(jì)算可得LP1=3.528mH，原副邊匝比Np：Ns1：Ns2=114：10：15。

3.3.2 驅(qū)動(dòng)磁環(huán)設(shè)計(jì)

由UC3844資料可查得，其6腳輸出電平及驅(qū)動(dòng)磁環(huán)的原邊輸入電壓Vin=6V，設(shè)輸出電壓Vo=12V，選取采用金寧JH7材質(zhì)H12/6/4磁芯，引入公式：

其中，N1為原邊匝數(shù)；Vin為原邊輸入電壓；f為工作頻率；ΔB為脈沖磁感應(yīng)增量；Ae為磁芯有效截面積）。由此計(jì)算可得N1=10匝，副邊匝數(shù)N01=N02。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

筆者通過(guò)對(duì)以上設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化和微調(diào)，研制出符合設(shè)計(jì)要求的樣機(jī)，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1和表2。

表1 考核條件下模塊效率測(cè)試

表2 空載和滿載下輸出紋波測(cè)試

從以上測(cè)試數(shù)據(jù)可知，產(chǎn)品的研制性能基本達(dá)到了理論預(yù)計(jì)，這不僅說(shuō)明本文提出的理論在實(shí)際中的有效性，而且為今后進(jìn)一步研制更大功率密度的DC/DC變換器提供了必要的基礎(chǔ)。

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[2]張占松，蔡宣三.開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006：237-303.

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