(廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

1 引言

電力電子技術(shù)飛速發(fā)展使得開關(guān)電源應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如能源領(lǐng)域、交通領(lǐng)域、制造領(lǐng)域、航空航天及軍事領(lǐng)域、家電領(lǐng)域等等。以電力電子技術(shù)為核心的開關(guān)電源逐漸代替了效率低、體積大的線性電源[1-2]。在中小型功率的開關(guān)電源的應(yīng)用場(chǎng)合，一般有半橋、推挽、正激、反激。

半橋變換器適用于高壓中型功率的場(chǎng)合，開關(guān)管流過(guò)兩倍輸入電流，承受的電壓為輸入電壓，且鐵芯不存在直流偏磁現(xiàn)象。但半橋變換器原邊存在電壓短路的可能性[3-4]。

推挽變換器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，變壓器的磁芯雙向磁化。但該電路必須保證有較好的對(duì)稱性，否則會(huì)引發(fā)直流偏磁從而導(dǎo)致磁芯飽和，此外變壓器的繞制工藝也非常嚴(yán)格，必須緊密禍合，減小漏感防止開關(guān)管關(guān)斷時(shí)刻電壓尖峰過(guò)大[5-6]。

正激變換器適用于中小功率的場(chǎng)合，輸入輸出有電氣隔離，很容易實(shí)現(xiàn)多路輸出。但開關(guān)管的占空比不得超過(guò)0.5，變換器為了保證磁芯復(fù)位，必須附加復(fù)位電路，且普遍存在變壓器利用率低下，主開關(guān)管承受兩倍輸入電壓等問(wèn)題[7-8]。為了克服磁芯復(fù)位、降低開關(guān)電壓的高應(yīng)力等問(wèn)題，提出了雙管正激變換器，但其仍然存在著一些缺陷：占空比不得超過(guò)0.5；磁芯的利用率低；輸出濾波電感體積一般較大[9-10]。

反激變換器適用于小功率場(chǎng)合，結(jié)構(gòu)與正激類似，只是變壓器接法與作用不同，同樣非常容易實(shí)現(xiàn)多路輸出。但同樣存在著一些缺點(diǎn):輸出功率?。蛔儔浩鬏敵雒}動(dòng)較大；變換器的開關(guān)電壓應(yīng)力與變換器的最大工作占空比有關(guān)，時(shí)會(huì)達(dá)到3～4倍的輸入電壓；多路輸出不易獲得良好的交叉調(diào)節(jié)特性；反激變換器的小信號(hào)模型中有一個(gè)右半平面的零點(diǎn)，閉環(huán)穩(wěn)定帶來(lái)了困難[11-12]。

2 工作分析

在綜合了上面變換器的一些優(yōu)缺點(diǎn)后，本文采用交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在分析工作原理之前做一定的假設(shè)：

① 開關(guān)管均為理想的器件；

② 輸出濾波電容C和電感L均足夠大，可看作為恒壓源與恒流源；

③ 變換器工作在穩(wěn)定狀態(tài)。

在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電路工作模態(tài)有12種情況，前半周期與后半周期各6種，且完全一致，只需分析模態(tài)即可。變換器在前半個(gè)周期的主要波形如圖2所示。

(1)開關(guān)模態(tài)1[t0-t1]

在t0時(shí)刻之前，變壓器T1勵(lì)磁復(fù)位，功率開關(guān)管S1、S2與箝位二極VD1、VD2上的電壓為輸入電壓的一半，整流二極管RD1關(guān)斷；變壓器T2此時(shí)勵(lì)磁復(fù)位，勵(lì)磁電流通過(guò)VD3、VD4反饋給電源，此時(shí)S3、S4承受輸入電壓Uin，變壓器T2電壓為-Uin，RD2關(guān)斷；續(xù)流二極管FD1為濾波電感L提供續(xù)流回路。在t0時(shí)刻開始后，開關(guān)管S1、S2開通，變壓器T1原副邊電流線性增加，電感L上的電流逐漸從FD1換流到RD1，且向負(fù)載提供能量；變壓器T2仍繼續(xù)勵(lì)磁復(fù)位，RD2此時(shí)承受受2倍的變壓器副邊電壓。

(2)開關(guān)模態(tài)2[t1-t2]

在t1時(shí)刻，F(xiàn)D1到RD1換流結(jié)束，RD1承受所有的電感電流，在t1時(shí)刻之后，在輸入電壓Uin與T1的作用下繼續(xù)線性增加并向負(fù)載提供能量，F(xiàn)D1承受變壓器T1副邊電壓的反壓；變壓器T2仍繼續(xù)勵(lì)磁復(fù)位，在t2時(shí)刻勵(lì)磁復(fù)位結(jié)束。

(3)開關(guān)模態(tài)3[t2-t3]

在t2時(shí)刻，變壓器T2勵(lì)磁復(fù)位結(jié)束，VD3、VD4關(guān)斷；t2結(jié)束時(shí)刻，Uin通過(guò)，VD3、VD4的輸出電容C3、C4與變壓器T2的漏感、勵(lì)磁電感一起組成諧振回路并產(chǎn)生諧振，變壓器T2原邊電流反向流動(dòng)，使得S3、S4上的電壓從Uin開始余弦降低，變壓器T2原邊電壓從-Uin開始增加。

(4)開關(guān)模態(tài)4[t3-t4]

在t3時(shí)刻，開關(guān)管S1、S2一起關(guān)斷，變壓器T1副邊折算到原邊的電流近似恒流的向S1、S2的輸出電容C1、C2充電，此時(shí)S1、S2的電壓從0迅速增加，電感L的電流逐漸由RD1換流到FD1；變壓器T2的這一路上的變換器繼續(xù)上一模態(tài)的諧振。

(5)開關(guān)模態(tài)5[t4-t5]

在t4時(shí)刻，開關(guān)管S1、S2上的電壓增加到Uin，RD1完成了到FD1的換流，F(xiàn)D1保證電感L的續(xù)流；在此時(shí)刻之后，VD1、VD2導(dǎo)通，變壓器T1通過(guò)VD1、VD2完成勵(lì)磁復(fù)位，S1、S2電壓箝位在Uin，F(xiàn)D1的續(xù)流導(dǎo)通造成變壓器T2副邊的短路，使得S3、S4電壓、電壓的振蕩在t5時(shí)刻快速地回到0.5Uin并保持。

(6)開關(guān)模態(tài)6[t5-t6]

在t5時(shí)刻開始，S3、S4、VD3、VD4承受的電壓均為0.5Uin，變壓器T2所在的一路變換器停止能量流動(dòng)；變壓器T1繼續(xù)通過(guò)VD1、VD2、進(jìn)行磁復(fù)位，S1、S2均承受Uin的電壓；電感電流L在FD1的續(xù)流下線性下降。這個(gè)模態(tài)一直持續(xù)到S3、S4同時(shí)幵通的t6時(shí)刻，開始后半開關(guān)周期的6個(gè)開關(guān)模態(tài)。后個(gè)幵關(guān)模態(tài)的工作情況與前6個(gè)的類似，僅換成了變壓器T2所在的一路變換器向負(fù)載傳遞能量。

3 控制器的設(shè)計(jì)

交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器的電壓環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖2 交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器的主要波形

圖3 交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器的系統(tǒng)控制框圖

交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器的Gvd(S)的表達(dá)式為：

(1)

電路的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：輸入電壓Uin=390V，主電路變壓器變比n=3.2，額定負(fù)載R=10Ω，輸出電感L=0.5mH，輸出電容C=1000μF，輸出功率P=250W，開關(guān)頻率fs=50kHz，鋸齒波峰值Vm=3V，輸出電壓反

饋系數(shù)H(S)=0.05，輸出電壓反饋分壓網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。令Rx=1kΩ，Ry=19kΩ。

圖4 反饋分壓網(wǎng)絡(luò)

本文的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)選用Ⅱ型誤差放大器，其補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電路如圖5所示。

圖5 調(diào)節(jié)器電路圖

加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后的系統(tǒng)回路增益?zhèn)鬟f函數(shù)為：

(2)

補(bǔ)償后系統(tǒng)的波特圖如圖6所示。

圖6 加入補(bǔ)償器的波特圖

在低頻段，系統(tǒng)的直流增益比原始回路增益高；在中頻段處，剪切頻率為9.7kHz，曲線以-20dB/dec斜率穿過(guò)0dB線；在高頻段，系統(tǒng)下降的速度變快，相位裕量γ=67°>45°，幅值裕度Gm=-20dB<-10dB。加入補(bǔ)償器后可以滿足預(yù)期要求。

考慮到交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器電路的占空比會(huì)超過(guò)50%，控制芯片選用美國(guó)德州儀器公司(TI)生產(chǎn)的固定脈寬調(diào)制電路TL494，其代表性框圖如圖7所示。該芯片包含了開關(guān)電源控制所需要的全部功能，主要有以下特征：

圖7 代表性框圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)開關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形及局部放大圖

圖8

圖8(a)為交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器原邊一條支路的驅(qū)動(dòng)波形圖，從圖中可以看出驅(qū)開關(guān)頻率為50kHz，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，柵源極電壓為13V，漏源極電壓為0V；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，柵源極電壓為0V，漏源極最開始承受輸入電壓，之后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間震蕩降為輸入電壓的一半。圖8(b)為驅(qū)動(dòng)脈沖邊沿局部放大圖，可以看出在開關(guān)管開通的時(shí)間要略慢于關(guān)斷的時(shí)間通斷過(guò)程中，符合開關(guān)管通斷時(shí)遵循的“緩開快關(guān)”原則。

(2)直流輸出電壓及峰峰值波形

圖9(a)為交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器帶額定負(fù)載10Ω的情況下輸出50V電壓的波形；圖9(b)為50V輸出電壓的紋波，從圖中可以看出50V輸出電壓的紋波峰峰值約為300mV，紋波率控制在1%以下，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

從上面的實(shí)測(cè)結(jié)果可以得出：基于TL494控制交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器交錯(cuò)互補(bǔ)180°導(dǎo)通，各自承擔(dān)一半的輸出功率，解決了由于磁路復(fù)位占空比小于0.5的限制，降低了開關(guān)管和續(xù)流二極管的電壓應(yīng)力，同時(shí)也分散了電路中器件的發(fā)熱損耗，提高了系統(tǒng)的效率及性能。

圖9