王 越

（貴州航天林泉電機(jī)有限公司（國(guó)家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心），貴州 貴陽(yáng) 550081）

0 引 言

近年來，中國(guó)的鐵路系統(tǒng)尤其是高鐵項(xiàng)目飛速發(fā)展，鐵路系統(tǒng)的建立帶動(dòng)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。目前，為了符合當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展需求，鐵路系統(tǒng)也越來越多的向數(shù)字化方向發(fā)展。大量的鐵路數(shù)字系統(tǒng)對(duì)鐵路系統(tǒng)的供電設(shè)備在各方面都提出了更高的要求[1]。

目前應(yīng)用較廣泛且流行的電源模塊都是高頻開關(guān)電源。隨著電力電子器件的發(fā)展，器件的開關(guān)頻率越來越高，體積也越來越小。高頻化的開關(guān)電源可以有效減少電源模塊電路中電感電容的大小，相應(yīng)的整體體積能夠得到縮小，同時(shí)顯著提高了電源模塊的功率密度[2]。

隨著電力電子器件的發(fā)展，近年來SiC和GaN等新型半導(dǎo)體器件的應(yīng)用也越來越多。SiC和GaN的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度都比硅要高，這給予了它們導(dǎo)通電阻和擊穿電壓之間的優(yōu)越關(guān)系[3]。相對(duì)于傳統(tǒng)的Si半導(dǎo)體器件，新型的半導(dǎo)體器件電子遷移率更高，而GaN在這方面優(yōu)于SiC，因此以GaN制造的晶體管更適合應(yīng)用于高頻功率開關(guān)電路[4]。

文本針對(duì)鐵路供電系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種基于GaN的升壓型DC-DC高頻電源模塊。利用小信號(hào)建模及頻域特性曲線優(yōu)化了控制器參數(shù)，并利用仿真軟件進(jìn)行了驗(yàn)證，最后以此為參考制作了樣機(jī)，滿足了相關(guān)性能指標(biāo)。

1 變換器拓?fù)浼靶⌒盘?hào)建模

變換器實(shí)際使用時(shí)，需要電源模塊給50 μF負(fù)載電容充電，要求充電穩(wěn)態(tài)電壓能夠達(dá)到700 V，然后每300 ms由主機(jī)控制使能端關(guān)斷模塊輸出，同時(shí)對(duì)負(fù)載電容進(jìn)行一次完全的放電，然后再次啟動(dòng)電源模塊，以此為周期循環(huán)[5]。

由于體積限制，在小體積下需要進(jìn)行大幅的升壓變換，根據(jù)指標(biāo)要求選取了推挽拓?fù)?。變換器的指標(biāo)要求輸入電壓為24 V，輸入電流不大于4 A，輸出電壓能夠達(dá)到700 V。

推挽變換器使用兩個(gè)主功率開關(guān)管，由于變換器升壓比較高，達(dá)到了1:30。為了簡(jiǎn)化變壓器的繞制，副邊側(cè)取消了傳統(tǒng)的中間抽頭式結(jié)構(gòu)，采用單繞組通過全波整流模式得到輸出直流電壓[6]。

1.1 變換器的主要參數(shù)設(shè)計(jì)

在輸入輸出參數(shù)確定后，首先需要確定的是變壓器匝數(shù)比?？紤]額定工況下使用0.4占空比，變壓器的實(shí)際變比為36.4，為了提高其動(dòng)態(tài)響應(yīng)，留有一定裕度，初步選取變壓器變比為1:40。

通過經(jīng)驗(yàn)值，考慮變換器效率為80%，在100 W功率設(shè)計(jì)下，初級(jí)電流峰值為：

拓?fù)渲虚_關(guān)管電壓應(yīng)力為：

由于開關(guān)頻率會(huì)直接影響電路輸出濾波器的設(shè)計(jì)，本次將開關(guān)管開關(guān)頻率定為200 kHz，因而可以極大減小輸出濾波電感和電容的大小。輸出濾波電感為：

根據(jù)實(shí)際使用需要，考慮到實(shí)際負(fù)載為一個(gè)脈沖型負(fù)載，輸出側(cè)會(huì)加入一個(gè)50 μF的大電容進(jìn)行濾波，因而不再進(jìn)行輸出電容器設(shè)計(jì)。

1.2 變換器的小信號(hào)建模分析

推挽型變換器中的主要儲(chǔ)能元件為輸出側(cè)的濾波電感和電容，基于此建立推挽變換器的數(shù)學(xué)模型為：

對(duì)此數(shù)學(xué)模型進(jìn)行小信號(hào)分析有：

由于整個(gè)數(shù)學(xué)模型關(guān)心的是輸出電壓與占空比的關(guān)系，因而化簡(jiǎn)后可以得到：

此方程即為該電路拓?fù)湓谛⌒盘?hào)模型下的傳遞函數(shù)。建模中，使用的輸入電壓為24 V，輸出濾波電感為270 μH，濾波電容為50 μF，負(fù)載大小定在4.9 kΩ的阻性負(fù)載，變壓器變比為1:40，開關(guān)管占空比穩(wěn)態(tài)為0.8。

1.3 變換器調(diào)節(jié)器的選擇與優(yōu)化

在工程上，常用調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)類型包括1型調(diào)節(jié)、2型調(diào)節(jié)以及3型調(diào)節(jié)。其中，1型調(diào)節(jié)由于缺少積分環(huán)節(jié)，屬于有差調(diào)節(jié)，其穩(wěn)態(tài)性能較差，只用于簡(jiǎn)單電路當(dāng)中，2型調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)為：

此函數(shù)有著一個(gè)零點(diǎn)和兩個(gè)極點(diǎn)，在加入此調(diào)節(jié)器前后的bode圖對(duì)比如圖1所示。

圖1 加入2型調(diào)節(jié)器前后bode圖對(duì)比

從圖中可以看出，加入2型調(diào)節(jié)器后，幅頻特性下降速率變快，相頻特性起始點(diǎn)為-90°。幅頻特性中，諧振峰被抑制在0 dB點(diǎn)以下，穿越頻率提高，最終表現(xiàn)為系統(tǒng)的穩(wěn)定性更高，穩(wěn)定裕度更大。

3型調(diào)節(jié)器在2型調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)之上加入了微分成分，其傳遞函數(shù)為：

與2型調(diào)節(jié)器相比，3型調(diào)節(jié)器增加了一個(gè)零點(diǎn)和一個(gè)極點(diǎn)。在控制上相對(duì)復(fù)雜，雖然加入的微分系統(tǒng)可以提高環(huán)路的響應(yīng)速度，但同時(shí)也降低了環(huán)路穩(wěn)定性。基于以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，此系統(tǒng)基于2型調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)是最優(yōu)方案。

2 仿真結(jié)果及參數(shù)優(yōu)化

仿真軟件使用的為Multisim。Multisim是美國(guó)NI公司推出的模擬/數(shù)字電路板的仿真工具，特點(diǎn)是能夠交互式地搭建電路原理圖[7]。此軟件運(yùn)行效率高，輸出數(shù)據(jù)兼容性好。

仿真時(shí)，調(diào)節(jié)器采用2型調(diào)節(jié)器，其中電阻R1為100 kΩ，電阻R2為20 kΩ，電容C1取2.5 pF，電容 C2取 5 nF。

在此參數(shù)仿真系統(tǒng)下，輸出電壓在0初始態(tài)上升過程如圖2所示。輸出電壓經(jīng)過約15 ms后達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)時(shí)電壓穩(wěn)壓點(diǎn)在675 V，紋波大小為10 V。

圖2 輸出電壓在0初始態(tài)的起動(dòng)波形

若是調(diào)節(jié)器參數(shù)不變，將輸出濾波電感降低到0.12 mH，濾波電容降低到0.5 μF,系統(tǒng)bode圖對(duì)比如圖3所示。

圖3 改變?yōu)V波器參數(shù)的bode圖對(duì)比

在新參數(shù)下，輸出電壓零起動(dòng)的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 改變?yōu)V波器前后輸出電壓變化

相比于改變前發(fā)現(xiàn)，啟動(dòng)瞬間，電壓上沖更高，在900 V左右，但是調(diào)整速度更快，約在11 ms位置達(dá)到穩(wěn)態(tài)電壓點(diǎn)675 V。從bode圖可以發(fā)現(xiàn)其穿越頻率并沒有太大變化，僅僅是增加了頻帶寬度，意味著環(huán)路的穩(wěn)定的增加。若進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)節(jié)器參數(shù)，電阻R1調(diào)整為10 kΩ，電阻R2取50 kΩ，電容C1與C2都取10 pF，在此參數(shù)下bode圖對(duì)比如圖5所示。

圖5 調(diào)節(jié)器改進(jìn)后的bode圖對(duì)比效果

從上圖能看到，調(diào)節(jié)器改變后，低頻段幅值有所提高，表現(xiàn)為相應(yīng)速度的加快，此時(shí)穿越頻率在1 kHz左右，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性如圖6所示。

圖6 調(diào)節(jié)器改進(jìn)后的電壓0起動(dòng)波形

與之前結(jié)果相比，其超調(diào)量并沒有明顯增加，但是響應(yīng)速度加快，在5 ms左右即到達(dá)電壓穩(wěn)定值。因而產(chǎn)品的應(yīng)用以此參數(shù)值為基準(zhǔn)。

3 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果

控制芯片采用具有逐周期比較功能的1825實(shí)現(xiàn)。1825的12腳是電流限制端與使能端公用引腳，但是電壓閾值不同[8]。使能端的關(guān)斷閾值是1 V，而電流限制端的閾值為1.4 V，所以需要保證在原邊電流達(dá)到4 A時(shí)，流入U(xiǎn)C1825電流限制端引腳為1.4 V。實(shí)際電路中，電流采樣采用50 mΩ，1.5 W的金屬電阻實(shí)現(xiàn)。原邊電流達(dá)到4 A時(shí)，輸出電壓為0.2 V?？紤]采用用此電壓信號(hào)再經(jīng)過差分放大電路放大8.8倍，運(yùn)放輸出電壓能夠達(dá)到1.67 V，而此電壓會(huì)通過二極管進(jìn)入U(xiǎn)C1825的電流限制引腳?？紤]0.3 V的二極管壓降，電流限制端會(huì)受到1.37 V電壓，與設(shè)計(jì)值1.4 V基本相符。

由于產(chǎn)品的輸出端為700 V的高壓，考慮到3216型封裝電阻耐壓普遍為150 V，采用6個(gè)3216型封裝470 kΩ阻值進(jìn)行分壓限流，采樣電阻采用兩個(gè)5.1 kΩ電阻串聯(lián)與6個(gè)470 kΩ電阻進(jìn)行分壓，在額定700 V時(shí)，可以得到2.522 V的參考電壓點(diǎn)。而控制芯片1825采用的參考電壓為2.5 V，可以實(shí)現(xiàn)700 V的穩(wěn)壓控制。

反饋環(huán)路采用TL431與PC817線性光耦組成的典型隔離反饋模式，這樣可以在高低壓之間起到隔離的作用，同時(shí)又能采樣到高壓側(cè)的電流[9]。

輸出整流二極管采用CREE公司制造的C4D2120E，此二極管為GaN材料，耐壓能夠達(dá)到1 200 V。中間變壓器采用飛磁PQ35材料定制平板變壓器，平板變壓器具有體積小和漏感小等優(yōu)點(diǎn)[10]。功率開關(guān)管使用英飛凌公司的BSC440N10NS3，耐壓100 V，通態(tài)電阻44 mΩ，最大電流為18 A。此開關(guān)管在印制板背面，安裝時(shí)利用導(dǎo)熱膏貼殼散熱。

由于體積限制，采用1825芯片輸出直接驅(qū)動(dòng)MOS管，1825芯片開關(guān)頻率定在180 kHz，這樣可以有效減少磁性元器件的體積，從而降低整個(gè)產(chǎn)品的體積及重量。

實(shí)際產(chǎn)品的工作波形如圖7所示。

圖7 電源模塊工作波形

經(jīng)過約250 ms，產(chǎn)品輸出電壓由0 V上升到了700 V，然后由系統(tǒng)給模塊關(guān)斷信號(hào)，使得模塊停止工作。然后到達(dá)約290 ms時(shí)，系統(tǒng)將輸出電容的能量全部釋放，然后再由系統(tǒng)給模塊工作使能信號(hào)，開始進(jìn)入下一周期的工作狀態(tài)。

工作輸入電流波形如圖8所示。

圖8 工作輸入電流波形

從電流鉗傳出的電流波形可以看到，起動(dòng)瞬間，電流能達(dá)到設(shè)計(jì)值的4 A，然后由于此時(shí)輸出電壓逐步上升，輸入電流會(huì)由4 A逐漸降低，滿足輸入電流不大于4 A的使用要求。

4 結(jié) 論

鐵路通信系統(tǒng)要求的電源模塊體積小，升壓比高。本文以鐵路通信為基礎(chǔ)，對(duì)推挽變換器電路建立了小信號(hào)模型，并參考模型繪制了bode圖，優(yōu)化了調(diào)節(jié)器參數(shù)，最后以此指導(dǎo)了實(shí)物產(chǎn)品的制作，最終產(chǎn)品試驗(yàn)結(jié)果滿足了使用要求。證明了本文所建立的小信號(hào)模型分析過程對(duì)工程化電源產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)作用。