一種低噪高輸出電壓DC―DC變換器設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)某航天器設(shè)備用的130 V高壓DC—DC變換器的低噪聲要求，采用初級(jí)側(cè)隔離的負(fù)載端直接反饋控制方式，次級(jí)側(cè)采用結(jié)合LC低通無(wú)源濾波電路和有源濾波電路的兩級(jí)輸出濾波電路設(shè)計(jì)方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，不僅實(shí)現(xiàn)了高壓DC-DC變換器的低噪聲輸出，而且通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得兩級(jí)濾波器的體積較小，可靠性較高，實(shí)現(xiàn)了星載應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：低噪聲；有源濾波；高輸出電壓；DC—DC變換器

0 引言
某航天器設(shè)備需應(yīng)用一種輸入電壓28 V、輸出電壓130 V的隔離式DC—DC變換器，因?yàn)樵撛O(shè)備的控制精度要求高，因此對(duì)DC—DC變換器的輸出噪聲有嚴(yán)格的要求。深入分析該設(shè)備系統(tǒng)的工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)影響其正常工作干擾來(lái)自于DC—DC變換器的傳導(dǎo)干擾，分為差模傳導(dǎo)噪聲和共模傳導(dǎo)噪聲。
DC—DC變換器產(chǎn)生的干擾信號(hào)頻譜一般在30 MHz以下，屬于近場(chǎng)干擾。差模傳導(dǎo)噪聲中能量最大的一般為DC—DC變換器主開(kāi)關(guān)頻率處的頻率分量，體現(xiàn)為輸出的電壓紋波；而共模傳導(dǎo)噪聲的頻率相對(duì)要高很多，主要由線路的寄生參數(shù)引起，體現(xiàn)為輸出的電壓尖峰。
通常DC—DC變換器輸出噪聲(包括電壓尖峰與紋波)為輸出電壓的1％，對(duì)于有特殊要求的DC—DC變換器，可以通過(guò)一些關(guān)鍵電路的設(shè)計(jì)來(lái)解決，如濾波電路、開(kāi)關(guān)器件的緩沖網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、有源濾波電路的設(shè)計(jì)、甚至采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)等。
由于航天應(yīng)用的特殊要求，某些地面應(yīng)用的器件不能在空間應(yīng)用，例如容量比較大的鋁電解電容，由于不是密閉結(jié)構(gòu)，因此不能在空間低氣壓條件下應(yīng)用；而且空間應(yīng)用要考慮失效模式的影響(FMEA)，且不能存在單點(diǎn)失效故障，因此電容器要串并聯(lián)使用，這樣會(huì)減小電容器的有效容值，增大等效串聯(lián)電阻(ESR)和電路設(shè)計(jì)的難度。

1 總體方案考慮
該航天器設(shè)備用的隔離式DC—DC變換器的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1所示。

從表1可以看出：
(1)母線輸入電壓范圍在25～31 V，屬于低壓母線；
(2)輸出額定功率52 W，極限功率104 W；
(3)輸出電壓為130 V；
(4)額定輸出電流為0．4 A，極限輸出電流為0．8 A。
因此概括起來(lái)該DC—DC變換器屬于低壓母線輸入，中等輸出功率(電流)的高輸出高穩(wěn)定DC—DC變換器。
從功率需求、輸出噪聲以及閉環(huán)穩(wěn)定性方面綜合考慮，電路采用負(fù)載端直接采樣反饋、電流型控制方式的推挽變換拓?fù)?。輸出濾波電路采用兩級(jí)濾波電路。其中第一級(jí)采用LC低通濾波器。LC濾波器具有陡峭的頻率響應(yīng)，但是電感器件的非線性、分布電容的影響，使得實(shí)際設(shè)計(jì)的濾波器達(dá)不到理論上的性能，因此對(duì)于低噪聲要求，不能僅采用LC低通濾波器。第二級(jí)采用有源濾波器。有源濾波器是利用有源器件(集成放大器、射隨器等)組成的無(wú)感濾波器，可以組成低通、高通、帶通濾波器等。近年來(lái)有源電力濾波器(APF)在電力系統(tǒng)智能控制中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，是一種新型的動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功的電力電子裝置，較無(wú)源濾波器有更好的適應(yīng)能力。通過(guò)改變其控制策略，能達(dá)到治理不同諧波源的要求。因此，對(duì)有源電力濾波器的研究已成為一大熱點(diǎn)，受到越來(lái)越多人的關(guān)注。
LC低通濾波器的截止頻率可以設(shè)計(jì)得較高，用于抑制較高頻率的電源噪聲。由于截止頻率較高，這樣濾波電感與電容元件參數(shù)值也不會(huì)太大，因此所需的濾波電感與電容元件的體積也較??；第二級(jí)的有源低通濾波器，用于抑制較低頻率的電源噪聲。由于采用了有源器件(MOS-FET管)，會(huì)對(duì)電源效率造成一定影響，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，會(huì)使效率降低5％左右。

2 控制模式的選取
為了使輸出電壓穩(wěn)壓PWM型開(kāi)關(guān)電源的負(fù)反饋控制信號(hào)可以是輸出電壓、輸出電流、輸入電壓(前饋)、輸出電感電壓以及開(kāi)關(guān)器件峰值電流等。根據(jù)反饋控制信號(hào)的不同，一般分為電壓型和電流型兩種開(kāi)關(guān)電源控制類型，其優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2所示。

電壓型只對(duì)輸出電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，是一種單環(huán)控制方式，輸出電壓采樣反饋信號(hào)Vf和基準(zhǔn)電壓信號(hào)Vref進(jìn)行比較得到誤差控制信號(hào)Ve，與固定鋸齒波信號(hào)比較后得到脈沖寬度調(diào)制信號(hào)對(duì)開(kāi)關(guān)功率管進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)壓控制。
電流型控制又稱峰值電流控制模式，是一種雙環(huán)控制。輸出電壓采樣反饋信號(hào)Vf再與基準(zhǔn)電壓信號(hào)Vref進(jìn)行比較得到誤差控制信號(hào)Ve，再與輸出電感電流峰值三角波信號(hào)進(jìn)行比較得到PWM控制信號(hào)，對(duì)開(kāi)關(guān)功率管進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。
電流型控制是雙環(huán)控制系統(tǒng)，由開(kāi)關(guān)器件的峰值電流信號(hào)反饋的電流環(huán)(內(nèi)環(huán))和輸出電壓信號(hào)反饋的電壓環(huán)(外環(huán))構(gòu)成。功率變換部分是由電流環(huán)控制的電流源，電壓外環(huán)控制功率級(jí)的電流環(huán)。電流內(nèi)環(huán)負(fù)責(zé)輸出電感的動(dòng)態(tài)變化，而電壓外環(huán)只需控制輸出電容。因此峰值電流控制模式要比電壓型控制模式有大得多的帶寬。
為了低噪聲要求，輸出端采用了兩級(jí)濾波器，為了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，考慮采用電流型控制方式。