級聯(lián)型航空靜止變流器直流環(huán)節(jié)電路拓?fù)溲芯?/h1>
1 引言
靜止變流器是飛機(jī)供電系統(tǒng)的一個重要組成部分,用于將28V直流電變換為400Hz交流電，由于輸入電壓低，航空靜止變流器的效率一般不超過80%。為實(shí)現(xiàn)靜止變流器的模板化和高效率，提出了級聯(lián)型航空靜止變流器方案 ，由四臺逆變橋的輸出級聯(lián)得到系統(tǒng)輸出，對應(yīng)由四臺高頻直流變換器提供四臺逆變橋所需要的隔離直流電源。由于級聯(lián)逆變器采用低壓功率場效應(yīng)管和低開關(guān)頻率，具有很高的效率，因此新型航空靜止變流器的效率主要取決于直流變換環(huán)節(jié)。
1kVA新型航空靜止變流器的直流環(huán)節(jié)的設(shè)計功率為300W，輸入為18—32V，輸出為48V，輸入電壓低、電流大。在輸入低壓大電流應(yīng)用場合，推挽電路和單端正激電路是兩種可選方案。但推挽電路存在變壓器鐵芯偏磁、開關(guān)管關(guān)斷時漏感能量在開關(guān)管上引起高的電壓尖峰等問題。正激電路變壓器為單向磁化，磁芯利用率低，同時還需要附加去磁電路，使電路變得復(fù)雜。一種新的電路拓?fù)洹仆煺る娐?，集中了正激電路和推挽電路的優(yōu)點(diǎn)，同時克服了二種電路的缺點(diǎn)，具有：a）抑制變壓器的鐵芯偏磁；b）變壓器磁芯雙向磁化；c）抑制開關(guān)管兩端的關(guān)斷電壓尖峰等優(yōu)點(diǎn)，是新型航空靜止變流器直流環(huán)節(jié)的優(yōu)選電路方案。
本文首先介紹了推挽正激變換器的工作原理，然后分析了推挽正激電路的三種副邊整流結(jié)構(gòu)，最后通過實(shí)驗(yàn)比較，得出了適用于新型航空靜止變流器的直流變換器方案。
2 推挽正激變換器工作原理分析
圖1為副邊采用全橋整流結(jié)構(gòu)的推挽正激變換器。該變換器的兩個開關(guān)管和兩個變壓器初級交替連接成一個回路，在回路兩個相對的中點(diǎn)之間接有一個電容，另兩個點(diǎn)接電源。兩個初級有相同的匝數(shù)。D1, D2是場效應(yīng)功率晶體管的體二極管。
如圖1所示，輸入電源、電容C、開關(guān)管
和
組成一個回路。電容C的電壓
等于輸入電壓
。
圖1 推挽正激電路圖
該回路滿足等式：
(1)
因?yàn)殚_關(guān)管兩端電壓 ， 0（若電壓反偏，則體二極管導(dǎo)通，電壓被鉗位在零），所以開關(guān)管兩端電壓的 最大值為兩倍的輸入電壓。圖2所示為其穩(wěn)態(tài)時工作原理波形。
圖2 工作原理波形
?。?）工作模態(tài)1，t1－t2期間
開關(guān)管VQ1導(dǎo)通，VQ2關(guān)斷。這期間電容上電壓是輸入電壓，當(dāng)VQ1導(dǎo)通時電源電壓加在W1上，電容電壓
加在W2上，這時初級相當(dāng)于兩個正激電路并聯(lián)。
流過初級W1的電流
等于：
?。?）
流過初級W2的電流
等于：
（3）
流過開關(guān)管的電流
等于：
?。?）
輸入電流
等于：
（5）
式中：
——負(fù)載電流
——磁化電流
——漏感平均電流
漏感電流的值由占空比和空載電流決定，N為變壓器次級線圈和初級線圈的變比。
輸入電流的峰值與1/2負(fù)載電流成正比。當(dāng)開關(guān)管VQ1關(guān)斷時，此模態(tài)結(jié)束。
?。?）工作模態(tài)2，t2－t3期間
這期間變壓器漏感電流釋放。由式（2）、式（3）可知，在t1－t2期間，
一直大于
，VQ1關(guān)斷時，因?yàn)?div align="center" style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; padding-top: 0px; padding-right: 0px; padding-bottom: 0px; padding-left: 0px; ">大于，VQ2的體二極管導(dǎo)通，為漏感電流提供釋放回路。
在t2時刻，和分別為：
(6)
(7)
式中
磁化電感
此期間，輸入電壓
在W2上，電容電壓
在W1上，釋放漏感上的能量。當(dāng)
、
相等時，此模態(tài)結(jié)束。整個期間，
被鉗位在2倍輸入電壓，
為零。此模態(tài)的時間長度為：
（8）
式中
——初級漏感（設(shè)兩漏感相等）
?。?）工作模態(tài)3，t3－t4期間
在這期間，VQ1和VQ2都關(guān)斷。設(shè)電容C上的電壓為穩(wěn)定的輸入電壓
(電容取足夠大)。漏感電流經(jīng)過電源、W1、C和W2,由于電源電壓和電容電壓相等，漏感電流保持不變。當(dāng)開關(guān)管VQ2導(dǎo)通時此模態(tài)結(jié)束。
?。?）工作模態(tài)4，t4－t5期間
t4時刻W1和W2的漏感電流相等,當(dāng)開關(guān)管VQ2導(dǎo)通時，此期間電源電壓加在W2上，電容電壓加在W1上，流過開關(guān)管的電流
、
為：
(9)
(10)
(11)
此模態(tài)的持續(xù)時間是：
(12)
下半個開關(guān)周期的工作模態(tài)和上半個周期基本相同，不再贅述。
3 推挽正激變換器的三種次級整流電路分析
3.1 三種次級整流電路的工作原理分析
圖3 全橋整流結(jié)構(gòu)與波形圖
圖4 全波整流結(jié)構(gòu)與波形圖
圖5 倍流整流結(jié)構(gòu)與波形圖
圖3、4、5分別為適用于推挽正激電路的三種輸出整流結(jié)構(gòu)：全橋整流結(jié)構(gòu)、全波整流結(jié)構(gòu)和倍流整流結(jié)構(gòu)。
3.1.1 全橋整流結(jié)構(gòu)
如圖3所示，當(dāng)變壓器的次級電壓
為正時，
、
和變壓器次級形成回路，
、
關(guān)斷，同時電感電流
增大并流經(jīng)負(fù)載。當(dāng)變壓器的次級電壓
為負(fù)時，其過程也類似。當(dāng)變壓器次級電壓為零時，
、
和
、
同時導(dǎo)通，對電感電流進(jìn)行續(xù)流。
在功率開關(guān)管導(dǎo)通時
（13）
開關(guān)管關(guān)斷時 
（14）
由上二式： 
（15）
3.1.2 全波整流結(jié)構(gòu)
如圖4所示，當(dāng)變壓器的次級電壓
為正時，
和變壓器次級的上半線圈形成回路，
關(guān)斷，同時電感電流感電流
增大并流經(jīng)負(fù)載。當(dāng)變壓器的次級電壓
為負(fù)時，其過程也類似。當(dāng)變壓器次級電壓為零時，電感電流分別經(jīng)上半線圈、和下半線圈、續(xù)流。
在功率開關(guān)管導(dǎo)通時
?。?6）
開關(guān)管關(guān)斷時 
?。?7）
由上二式： 
（18）
3.1.3 倍流整流結(jié)構(gòu)
如圖5所示，當(dāng)變壓器的次級電壓為正時，關(guān)斷，電感
的電流
增大并流經(jīng)負(fù)載，和變壓器次級形成回路，同時電感
的電流
減小，它流經(jīng)負(fù)載和形成回路。當(dāng)變壓器次級電壓為負(fù)時，其過程也類似。而變壓器的次級電壓為零時，則電感和的電流分別流經(jīng)和形成回路，即和同時導(dǎo)通。
在功率開關(guān)管導(dǎo)通時
?。?9）
開關(guān)管關(guān)斷時 
（20）
由上二式： 
?。?1）
3.2 次級三種整流結(jié)構(gòu)比較
3.2.1 輸出濾波電感
全橋整流結(jié)構(gòu)和全波整流結(jié)構(gòu)中流過濾波電感的電流平均值等于輸出電流平均值，而在倍流整流結(jié)構(gòu)中，單個濾波電感上的電流是輸全橋整流結(jié)構(gòu)和全波整流結(jié)構(gòu)中流過濾波電感的出電流平均值的一半。
全橋整流結(jié)構(gòu)和全波整流結(jié)構(gòu)中，輸出濾波電感的電壓頻率是功率開關(guān)管的兩倍，而倍流整流結(jié)構(gòu)中，兩個輸出濾波電感的電壓頻率與功率開關(guān)管相同，同時由于輸出電流紋波是兩電感電流紋波的和，因此在要求相同輸出電流紋波情況下，倍流整流結(jié)構(gòu)中單個濾波電感的值是全橋和全波整流濾波電感的兩倍。
3.2.2 變壓器次級線圈匝數(shù)
由式（15）（18）（21）可知，在相同輸入電壓，相同初級線圈匝數(shù)和相同的開關(guān)管導(dǎo)通占空比下，要使得輸出電壓相同，全波整流結(jié)構(gòu)和倍流整流結(jié)構(gòu)的次級線圈總匝數(shù)是全橋整流結(jié)構(gòu)的兩倍。
同時由三種整流結(jié)構(gòu)工作原理的分析可知，全橋整流結(jié)構(gòu)和全波整流結(jié)構(gòu)中變壓器次級中電流均為倍流整流結(jié)構(gòu)中變壓器次級電流的2倍。
3.2.3 整流管最大電壓應(yīng)力
由于在相同輸入電壓，相同初級線圈匝數(shù)和相同的開關(guān)管導(dǎo)通占空比下，要得到相同的輸出電壓，全波和倍流整流結(jié)構(gòu)的次級線圈匝數(shù)是全橋整流結(jié)構(gòu)的兩倍。因此全波和倍流兩種整流方式中整流管的最大電壓應(yīng)力為全橋整流方式中2倍。但由于全橋整流方式中整流管的數(shù)目是其他兩種整流方式的2倍，這就可能使得整流電路的導(dǎo)通壓降的增加。
3.3 電路的適用性分析
全橋整流方式適用于輸出高壓場合。
全波整流方式適用于輸出中低壓場合。
鑒于倍流整流的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，它尤其適用于輸出低壓大電流場合。由于倍流整流結(jié)構(gòu)中的變壓器和濾波電感可以公用一個磁芯，因此可簡化元件的封裝和減小體積。目前， 48V輸入、1.2V/70A輸出的變換器滿載效率可達(dá)到85% 。
4 實(shí)驗(yàn)研究
1kVA新型航空靜止變流器需要獨(dú)立的四路48V直流電，因此直流變換環(huán)節(jié)的設(shè)計指標(biāo)為：輸出功率300W，輸入電壓為18—32VDC，輸出電壓為48VDC，開關(guān)頻率為100kHz。
基于此指標(biāo)設(shè)計了三種次級整流方式的直流變換器樣機(jī)。三臺樣機(jī)的原邊開關(guān)管
、
均采用IRFP150，原邊箝位電容C為
，采用CL233型金屬化聚酯膜介質(zhì)電容器，變壓器采用EE42鐵芯，輸出濾波電容為
，采用電壓控制方式。
?。?）全橋整流樣機(jī)
變壓器原副邊變比為2：2：7電感為
；副邊整流二極管選用DSEP30—03A。
?。?）全波整流結(jié)構(gòu)
變壓器原副邊變比為2:2:7:7；輸出濾波電感為；副邊整流二極管選用DSEP30—06A。
?。?）倍流整流結(jié)構(gòu)
變壓器原副邊變比為2:2:14；輸出濾波電感
；副邊整流二極管選用DSEP30—06A。
由于三種副邊整流方式對變換器的原邊工作無影響，變換器的主要工作波形是相同的。圖6、圖7給出了推挽正激變換器變壓器原邊電流和箝位電容電壓波形。實(shí)驗(yàn)波形與理論分析吻合，說明了樣機(jī)設(shè)計參數(shù)的合理性。
通道1：變壓器原邊電流波形
通道2：開關(guān)管驅(qū)動波形
圖6 變壓器原邊電流波形
通道1：原邊箝位電容電壓波形
通道2：開關(guān)管驅(qū)動波形
圖7原邊箝位電容電壓波形
表1和表2給出了三臺樣機(jī)分別在20V和28V輸入和不同負(fù)載時的效率數(shù)據(jù)。
表1 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（輸入電壓20V）
表2 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（輸入電壓28V）
由表1和表2可見，對于新型航空靜止變流器，直流變換器采用推挽正激全波整流電路可以得到最高的效率，在全部輸入電壓范圍內(nèi)，額定負(fù)載時效率可達(dá)到89%以上，達(dá)到了Vicor第二代電源模塊的性能指標(biāo) 。
5 結(jié)語
?。?） 新型航空靜止變流器中的低壓大電流直流環(huán)節(jié)是影響其效率的關(guān)鍵因素。推挽正激變換器具有防止開關(guān)管的電壓尖峰和抑制變壓器偏磁的特點(diǎn)，是輸入低壓大電流場合的優(yōu)選方案。
?。?） 研制了推挽正激電路采用三種次級整流方式的直流變換器樣機(jī)，采用全波整流結(jié)構(gòu)可以達(dá)到最高的效率，樣機(jī)的效率達(dá)到了Vicor第二代電源模塊的性能指標(biāo)。
（3） 本文的研究為實(shí)現(xiàn)航空靜止變流器效率超過85%奠定了基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
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[4] 24Vin/48Vout/400Watts DC-DC Converter Module http://www.Vicor.com/products/dataseets/2nd-gen/V24A48C400A.pdf
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靜止變流器是飛機(jī)供電系統(tǒng)的一個重要組成部分,用于將28V直流電變換為400Hz交流電，由于輸入電壓低，航空靜止變流器的效率一般不超過80%。為實(shí)現(xiàn)靜止變流器的模板化和高效率，提出了級聯(lián)型航空靜止變流器方案 ，由四臺逆變橋的輸出級聯(lián)得到系統(tǒng)輸出，對應(yīng)由四臺高頻直流變換器提供四臺逆變橋所需要的隔離直流電源。由于級聯(lián)逆變器采用低壓功率場效應(yīng)管和低開關(guān)頻率，具有很高的效率，因此新型航空靜止變流器的效率主要取決于直流變換環(huán)節(jié)。
1kVA新型航空靜止變流器的直流環(huán)節(jié)的設(shè)計功率為300W，輸入為18—32V，輸出為48V，輸入電壓低、電流大。在輸入低壓大電流應(yīng)用場合，推挽電路和單端正激電路是兩種可選方案。但推挽電路存在變壓器鐵芯偏磁、開關(guān)管關(guān)斷時漏感能量在開關(guān)管上引起高的電壓尖峰等問題。正激電路變壓器為單向磁化，磁芯利用率低，同時還需要附加去磁電路，使電路變得復(fù)雜。一種新的電路拓?fù)洹仆煺る娐?，集中了正激電路和推挽電路的優(yōu)點(diǎn)，同時克服了二種電路的缺點(diǎn)，具有：a）抑制變壓器的鐵芯偏磁；b）變壓器磁芯雙向磁化；c）抑制開關(guān)管兩端的關(guān)斷電壓尖峰等優(yōu)點(diǎn)，是新型航空靜止變流器直流環(huán)節(jié)的優(yōu)選電路方案。
本文首先介紹了推挽正激變換器的工作原理，然后分析了推挽正激電路的三種副邊整流結(jié)構(gòu)，最后通過實(shí)驗(yàn)比較，得出了適用于新型航空靜止變流器的直流變換器方案。
2 推挽正激變換器工作原理分析
圖1為副邊采用全橋整流結(jié)構(gòu)的推挽正激變換器。該變換器的兩個開關(guān)管和兩個變壓器初級交替連接成一個回路，在回路兩個相對的中點(diǎn)之間接有一個電容，另兩個點(diǎn)接電源。兩個初級有相同的匝數(shù)。D1, D2是場效應(yīng)功率晶體管的體二極管。
如圖1所示，輸入電源、電容C、開關(guān)管
該回路滿足等式：
因?yàn)殚_關(guān)管兩端電壓 ， 0（若電壓反偏，則體二極管導(dǎo)通，電壓被鉗位在零），所以開關(guān)管兩端電壓的 最大值為兩倍的輸入電壓。圖2所示為其穩(wěn)態(tài)時工作原理波形。
?。?）工作模態(tài)1，t1－t2期間
開關(guān)管VQ1導(dǎo)通，VQ2關(guān)斷。這期間電容上電壓是輸入電壓，當(dāng)VQ1導(dǎo)通時電源電壓加在W1上，電容電壓
流過初級W1的電流
流過初級W2的電流
流過開關(guān)管的電流
輸入電流
式中：
漏感電流的值由占空比和空載電流決定，N為變壓器次級線圈和初級線圈的變比。
輸入電流的峰值與1/2負(fù)載電流成正比。當(dāng)開關(guān)管VQ1關(guān)斷時，此模態(tài)結(jié)束。
?。?）工作模態(tài)2，t2－t3期間
這期間變壓器漏感電流釋放。由式（2）、式（3）可知，在t1－t2期間，
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