基于雙路推挽諧振變換器I_V節(jié)點電源設計

文/范輝輝 文傳勇

近年隨著國家海洋強國建設的快速發(fā)展，進一步提升我國全球海洋觀測能力越加重要，建立國家海洋立體監(jiān)測系統(tǒng)已納入十三五規(guī)劃。因此海底觀測網(wǎng)供電系統(tǒng)作為海底觀測網(wǎng)的核心部分，其設計顯得尤為重要，目前海底觀測網(wǎng)遠程供電系統(tǒng)主要分為交流供電，恒壓直流供電以及恒流直流供電三種方式，本文在分析了海底光纜通信系統(tǒng)中供配電特點的基礎上，針對遠供恒流電源系統(tǒng)，提出了一種基于雙路推挽LC諧振變換器的大功率CC/CV電源實現(xiàn)方案，并通過Pspice軟件對該設計方案進行仿真驗證，仿真結果驗證了該方案的可行性。

1 海底光纜網(wǎng)絡供電方式

海底光纜網(wǎng)絡遠程供電系統(tǒng)通常采用串聯(lián)供電和并聯(lián)供電兩種供電方式，當采用串聯(lián)供電方式時，海底節(jié)點設備等負載與海底光纜串接在一起，連接方式見圖1，采用高壓恒流的供電方式，當采用并聯(lián)供電方式時，節(jié)點設備與海底光纜并聯(lián)，岸基電源采用高壓恒壓供電方式，連接方式見圖2。

如圖1所示，海底節(jié)點設備供電電源將恒流母線上獲取的電流轉換為設備所需的恒定電壓。

海底觀測網(wǎng)遠程供電系統(tǒng)采用恒流方式供電時，一旦供電回路有設備發(fā)生故障導致單線供電斷開，由于采用雙端供電的方式，自動重新形成兩個獨立供電回路，不會對其它正常工作設備供電造成影響，故障后供電線路結構如圖3所示。

海底節(jié)點電源為CC/CV電源，故又稱為I_V節(jié)點電源，I_V節(jié)點電源是水下設備必需的供電電源，數(shù)量眾多，對其長期工作的可靠性要求高，目前針對大功率CC/CV變換器的研究較少，本文將對一種大功率I_V節(jié)點電源的設計方案進行詳述。

圖2：并聯(lián)恒壓供電方式

圖3：遠程供電故障后線路結構

圖4：推挽LC諧振變換器電路原理圖

圖5：推挽LC諧振變換器等效電路

圖6：推挽LC諧振變換器加入線路電阻等效電路

2 I_V節(jié)點電源設計方案

2.1 I_V電源主電路結構設計

海底光纜網(wǎng)絡恒流供電方式的特殊性，導致輸入電流被限制在一個較低的值，為實現(xiàn)大功率輸出，需要將輸入電壓調(diào)制到一個較高的值，因此LC諧振電路是一種理想的變換方式，通過LC諧振既可以把輸入電壓升高，同時結合推挽電路也能夠將輸入單向直流轉換為交變的電流，實現(xiàn)電源原、副邊能量的傳輸，基本電路結構如圖4所示。

圖4為推挽LC諧振變器，與傳統(tǒng)的恒壓輸入LC諧振不同，變換器輸入為恒定直流，LC諧振頻率fr計算公式如式（1）所示：

Cr：諧振電容

Lr：諧振電感

n： 變壓器匝比

圖7：雙路推挽LC諧振變換器電路原理圖

圖5為推挽LC諧振變換器等效電路，輸出側電感、電容等效參數(shù)折算到輸入側，輸入恒流源兩端所產(chǎn)生的電壓幅值由輸出電壓EO，諧振電感Lr，諧振電容Cr以及變壓器匝比n決定，相關主要計算公式如下：

圖8：控制原理框圖

圖9：主電路開關管驅動波形

圖10：控制電路原理圖

圖11：I_V節(jié)點電源完整原理框圖

式（6）為諧振電容兩端輸入電壓計算公式，其中參數(shù)a，b由式（2）～式（5）所決定，當諧振參數(shù)確定后，Vcmax即為定值，每個諧振周期諧振電容所承受的電壓幅值不變，因此需綜合考慮諧振電容Cr、諧振電感Lr和變壓器匝比n的值，使得在滿足輸出功率情況下，諧振電容兩端電壓值盡可能低。

圖6為加入線路電阻后等效電路，輸入恒流源兩端所產(chǎn)生的電壓Vi計算如式（7）。

恒流源輸入電壓幅值由輸出電流、輸出電壓、變壓器匝比和線路阻抗決定，輸入電壓幅度不能超出岸基供電電源承載能力。

單路推挽諧振電路帶載能力有限，為提高輸出功率，同時考慮水下電源長期工作的可靠性要求，本文提出了一種雙路推挽諧振變換器結構，其電路原理圖如圖7所示。

如圖7所示，雙路推挽變換器主電路由兩路推挽LC諧振變換器構成，兩路變換器共用一個主變壓器和輸出整流濾波單元，開關管Q1和Q3，Q2和Q4同步工作。

圖12：諧振電容Cr兩端電壓波形

2.2 主控制電路設計

電源控制原理框圖如圖8所示，控制系統(tǒng)主要有主控芯片、保護電路和驅動電路構成。

圖9為主電路開關管Q1～Q4驅動電壓波形，Q1與Q3，Q2與Q4同步工作，與傳統(tǒng)控制方式不同，由于輸入電源為恒定直流源，因此電路工作不能出現(xiàn)同時關斷的時間，即死區(qū)時間，如圖9陰影區(qū)間所示，推挽電路開關管存在同時導通區(qū)間，從而保證無論在哪種工作狀態(tài)情況下，恒流供電主干線的回路始終保持導通。

按照雙路推挽LC諧振電路驅動信號的需要，可選用TI公司專用諧振模式電源控制器UC3867,該芯片可選擇恒導通時間或恒關斷時間工作模式，控制原理簡圖如圖10所示，反饋電壓信號送入芯片誤差放大器反相輸入端，通過改變內(nèi)部VCO振蕩頻率來改變輸出信號頻率，輸出取反后通過變壓器耦合實現(xiàn)多組開關管的同步驅動。

2.3 I_V節(jié)點電源系統(tǒng)結構設計

I_V節(jié)點電源系統(tǒng)結構框圖如圖11所示，完整電源系統(tǒng)由電源啟動電路、輔助供電電路、控制保護電路、旁路Mos管控制電路及CC/CV電路構成。

其中CC/CV為雙路推挽LC諧振電路，采用2+1的備份方式，每路模塊輸入側加入旁路Mos管和隔離二極管，用于單模塊的故障隔離以及輸入側的過壓保護。

3 電源方案仿真驗證

本文采用Pspcie軟件對雙路推挽諧振電源進行仿真驗證，主要仿真參數(shù)設置如下：

開關頻率：；

諧振頻率：；

輸出功率：。

主要仿真波形如圖12。

圖12為諧振電容Cr兩端電壓波形，通過推挽電路開關管工作頻率及導通寬度的設置，可得到如圖12所示波形，諧振電容兩端電壓為正弦半波。

圖13(a),(b)為驅動信號與Vds電壓波形，可以看到Mos管在開通和關斷時刻，Vds電壓為零，開關管為零電壓開通和關斷，極大的降低了開關損耗，提高了系統(tǒng)的轉換效率。

推挽LC諧振電路在恒流源輸入端產(chǎn)生一個正弦半波高壓，如圖14（a）所示，波動的電壓波形會造成岸基供電電源處于震蕩工作狀態(tài)，不利于岸基供電電源的穩(wěn)定工作，因此在電路最前端加入一級LC單元，將脈動的電壓轉換為穩(wěn)定的直流電壓，仿真波形如圖14（b）所示。

I_V節(jié)點電源總體輸入、輸出功率仿真波形如圖15所示，輸入功率為2376W，輸出功率為2170W，轉換效率計算如下：

仿真波形未考慮變壓器的實際磁芯損耗及銅耗，實際轉換效率估計在85%左右。

圖13：Mos管驅動信號與Vds電壓波形

4 結語

本文分析了目前海底觀測網(wǎng)遠程供電系統(tǒng)線路結構以及恒流雙端供電方式的優(yōu)點，針對采用恒流方式供電的海底觀測網(wǎng)供電系統(tǒng)I_V節(jié)點電源，提出了一種基于雙路推挽LC諧振變換器的大功率CC/CV電源解決方案，并通過Pspice軟件進行了仿真驗證。