一種適用于空間輻照環(huán)境的自主均流電路研究

高東輝，賀啟峰，徐成寶，蔡可紅

(中國電子科技集團公司第43 研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

作為航空、航天系統(tǒng)二次電源用的DC/DC 變換器主要采用單模塊運行方式，隨著航空、航天技術(shù)的不斷發(fā)展，對DC/DC 變換器的功率等級要求也越來越高，采用多模塊DC/DC 變換器并聯(lián)工作的需求日益迫切。由于不同模塊之間存在的差異性會導(dǎo)致模塊并聯(lián)運行時電流分配不均，從而降低系統(tǒng)的可靠性，因此必須引入有效的均流控制電路來使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作[1-8]。

目前針對開關(guān)電源的均流控制，推出了很多均流控制芯片，如TI 公司推出的UC3902 系列等[9-13]。雖然均流控制芯片使用方便、結(jié)構(gòu)簡單，但存在著采購周期長，無法滿足高等級、特殊環(huán)境的應(yīng)用等問題。由于均流控制芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對芯片進行抗輻照加固難度大，技術(shù)尚不成熟，目前國內(nèi)外尚無加固的均流控制芯片。

針對均流控制芯片無法在空間輻照環(huán)境中應(yīng)用的問題，目前的通用方法是采用分立器件構(gòu)成均流控制電路，電路一般由運放、緩沖器、阻容元件、二極管等組成，其中只有運放和緩沖器為輻照敏感器件，選用具有抗輻照能力的器件即可滿足空間應(yīng)用需求。

抗輻照加固運算放大器和緩沖器電路結(jié)構(gòu)簡單，芯片抗輻照加固相比于均流控制芯片更易于實現(xiàn)，目前抗輻照加固運算放大器和緩沖器已在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。

本文對傳統(tǒng)的由分立器件構(gòu)成的自主均流電路進行優(yōu)化，提出了一種電路結(jié)構(gòu)簡單、適用性強、成本低、精度高的開關(guān)電源自主均流電路。該均流電路只采用了一個運算放大器，其余均為阻容器件和二極管，因而只需采用抗輻照加固的運放，即可很好地應(yīng)用于空間輻照環(huán)境中。

1 傳統(tǒng)外環(huán)調(diào)節(jié)自主均流電路

DC/DC 變換器自主均流控制策略主要有三種結(jié)構(gòu)：外環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)和雙環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)[14-16]。其中外環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)由于具有均流精度高、結(jié)構(gòu)簡單、配置靈活、易于模塊化、易于擴展和維護等優(yōu)點而得到了廣泛應(yīng)用。本文所采用的控制策略為應(yīng)用最為廣泛的外環(huán)調(diào)節(jié)策略，典型的外環(huán)調(diào)節(jié)自主均流電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 典型的外環(huán)調(diào)節(jié)自主均流電路

由圖1 可知，該自主均流電路為三環(huán)控制模式，從外到內(nèi)依次是均流環(huán)、電壓環(huán)和電流環(huán)。為了減小由于二極管管壓降導(dǎo)致的主模塊存在的均流誤差，采用單向緩沖器結(jié)構(gòu)代替圖1 中的二極管，如圖2 所示。

圖2 單向緩沖器電路

由圖2 可見，當VA1＞VA2時，由單向緩沖器工作原理可知，均流母線電壓VB=VA1＞VA2，此時從模塊的單向緩沖器輸出低電平，二極管D2截止，二極管D1導(dǎo)通。故均流母線電壓與主模塊采樣電壓相等，有效改善了圖1 中主模塊由于二極管管壓降而導(dǎo)致的均流誤差。

2 改進型外環(huán)調(diào)節(jié)自主均流電路

結(jié)合圖1 和圖2 所示的電路結(jié)構(gòu)，提出一種改進型外環(huán)調(diào)節(jié)自主均流電路如圖3 所示。

如圖3 所示，當模塊作為主模塊工作時，二極管D3關(guān)斷，D2導(dǎo)通，此時U1 起到了圖2 中所示的單向緩沖器的作用；當模塊作為從模塊工作時，二極管D2關(guān)斷，D3導(dǎo)通，此時U1 作為均流環(huán)運放工作。此種電路結(jié)構(gòu)利用一個運放的交替工作模式實現(xiàn)了單向緩沖器和運放的功能，從而簡化了電路結(jié)構(gòu)。

此外，圖3 中在運放U1 的輸出端增加了二極管D3，通過合理的參數(shù)設(shè)計使得在單模塊工作時二極管D3關(guān)斷，均流電路不工作，避免了單模塊工作時均流電路對DC/DC 變換器的影響。

針對圖1 結(jié)構(gòu)存在的DC/DC 模塊的負載調(diào)整度差的問題，圖3 在主模塊工作時，二極管D3關(guān)斷，均流電路不工作，主模塊的負載調(diào)整度與均流環(huán)路無關(guān)，得到了很好的保證。同時在并聯(lián)工作時，模塊的輸出電壓跟隨輸出電壓最高的模塊，即從模塊的輸出電壓跟隨主模塊，進而很好地改善了圖1 中存在的DC/DC 模塊并聯(lián)工作時負載調(diào)整度差的問題。

2.1 單模塊工作原理

如圖3 所示，電壓VB可由式(1)計算得出：

圖3 改進型外環(huán)調(diào)節(jié)自主均流電路

其中，Vsense為電流采樣得到的電壓信號，VREF為電壓基準信號，Ki、Kv分別為Vsense和VREF的分壓系數(shù)，一般通過分壓電阻網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)該功能。

由運放的“虛斷”原理可知：

由運放的“虛短”原理可知：

根據(jù)式(2)和式(3)可得均流母線電壓VC為：

假設(shè)二極管D2、D3導(dǎo)通時的管壓降均為0.7 V，則均流運放U1 的輸出電壓VD為：

要使得單模塊工作時，電壓環(huán)不受均流電路的影響，二極管D3必須關(guān)斷，即必須使得反饋電壓VE(通常為2.5 V)和VD的關(guān)系滿足下式：

綜合式(1)～式(6)，同時考慮最惡劣的情況，即空載時，Vsense≈0 V，則有：

通過匹配合適的參數(shù)來滿足式(7)，即可實現(xiàn)DC/DC變換器單模塊運行時在全負載范圍內(nèi)都可以避免均流電路的影響。

2.2 模塊并聯(lián)工作原理

兩模塊并聯(lián)運行時的電路結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示，兩個模塊的均流輸出端通過均流母線連接在一起。

圖4 兩模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)圖

由前述分析可知，單模塊運行時，均流輸出端的電壓VC反映的是模塊初級電流的大小，當多模塊并聯(lián)運行時，由于二極管D2的作用，均流母線上的電壓為輸出電流最大的模塊對應(yīng)的VC電壓。

如圖4 所示，當兩模塊并聯(lián)工作時，假設(shè)模塊1 中的電流大于模塊的電流時，則VC1＞VC2，此時模塊1 的二極管D3截止，如圖4 所示，用虛線表示，模塊1 的均流電路未介入工作。VC1會通過電阻R5和R7反饋到模塊2的運放U1 的反向輸入端，此時U1 的同相輸入端電壓小于反向輸入端電壓，則U1 的輸出被拉低，模塊2 的二極管D2截止，如圖4 所示，用虛線表示。模塊2 的二極管D3導(dǎo)通，模塊2 的均流電路開始工作，拉低VE，使得占空比增大，進而使得模塊2 的輸出電壓升高，從而導(dǎo)致模塊2 流過的電流會增加，模塊1 流過的電流會減小，最終達到均流的目的。圖3中的R5、R6、C2構(gòu)成PI補償器，用來補償均流環(huán)路。

3 實驗結(jié)果

為了驗證上述電路的可行性和理論分析的正確性，將該均流電路應(yīng)用到一款20 V～50 V 輸入，5 V/20 A 輸出的單端正激式DC/DC 變換器中。

3.1 單模塊實驗結(jié)果

為了驗證圖4 中的二極管D3對單模塊工作時負載調(diào)整度的影響，圖5 給出了有/無圖3 中的二極管D3時，DC/DC 變換器在空載切換到滿載時輸出電壓躍變波形。

圖5 均流電路有/無二極管時模塊的輸出電壓波形

從圖5 中可以看出，當電路中不加二極管D3時，空載切換到滿載時，輸出電壓出現(xiàn)了明顯的下跌，負載調(diào)整度很差。當電路中增加二極管D3時，空載到滿載切換時，輸出電壓基本保持不變。由圖5 可見，該種均流電路可以很好地解決了圖1 中存在的DC/DC 模塊并聯(lián)工作時負載調(diào)整度差的問題。

3.2 兩模塊并聯(lián)實驗結(jié)果

當模塊的均流端未連接在一起時，兩模塊并聯(lián)輸出帶20 A 時的穩(wěn)態(tài)輸出電流波形如圖6 所示，模塊均流精度較差，經(jīng)計算為11%。

圖6 均流端未連接時,并聯(lián)模塊輸出電流波形

將兩個模塊的均流端連接在一起，得到模塊的輸出電流波形如圖7 所示。從圖7 中可以看出，當模塊的均流端連在一起時，輸出電流在20 A 和40 A 之間躍變時，兩模塊的輸出電流基本一致，模塊達到了很好的靜態(tài)和動態(tài)均流效果。

圖7 均流端連接時并聯(lián)模塊輸出電流波形

3.3 多模塊并聯(lián)實驗結(jié)果

為了進一步驗證采用該均流電路時多模塊并聯(lián)時的均流效果，進行了5 模塊并聯(lián)實驗，實測結(jié)果如表1所示。

從表1 的實測結(jié)果可以看出，模塊間均達到了很好的均流效果，通過計算，在滿載時，模塊間的均流精度為2.5%。

表1 5 模塊并聯(lián)輸出電流測試結(jié)果(A)

4 結(jié)論

針對均流控制芯片在空間輻照環(huán)境應(yīng)用的局限性，基于傳統(tǒng)的自主均流電路，本文提出了一種改進型自主均流電路，相比于傳統(tǒng)的自主均流電路而言，利用一個運放的交替工作來實現(xiàn)單向緩沖器和運放的功能，簡化了電路結(jié)構(gòu)。同時解決了傳統(tǒng)自主均流電路存在的負載調(diào)整度差的問題。相比于均流控制芯片在空間輻照環(huán)境中應(yīng)用的局限性，該電路中只需采用抗輻照加固的運放，即可很好地應(yīng)用于空間輻照環(huán)境中，均流電路的環(huán)境適應(yīng)性大大增強。

本文詳細分析了該電路的工作原理，并在一款100 W輸出的單端正激式DC/DC 變換器中對其進行實驗驗證，實驗結(jié)果證明了該電路的正確性和有效性。