鄭楓，張彥

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723所，江蘇 揚(yáng)州 225001）

艦船輔助電源的輸入電壓高，功率等級(jí)低。反激變換器電路簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)輸入輸出隔離，適用于小功率、小體積的場(chǎng)合。但是由于主開關(guān)管的電壓應(yīng)力等于輸入電壓與輸出電壓原邊等效電壓之和，所需功率器件的電壓應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他同等輸入電壓的變換器。針對(duì)此要求，現(xiàn)有解決方案主要有功率器件串聯(lián)和模塊串聯(lián)兩種。文獻(xiàn)[1]使用開關(guān)管直接串聯(lián)的準(zhǔn)諧振反激拓?fù)?，這種結(jié)構(gòu)無法保證功率器件的均壓。文獻(xiàn)[2]使用模塊串聯(lián)的有源鉗位反激電路，但是此方案需要對(duì)主開關(guān)管和鉗位開關(guān)管分別進(jìn)行控制，控制復(fù)雜。

準(zhǔn)諧振反激變換器的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且模塊串聯(lián)的方式可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)均壓。因此，本文對(duì)輸入串聯(lián)準(zhǔn)諧振反激變換器進(jìn)行研究并通過仿真對(duì)方案進(jìn)行可行性驗(yàn)證。本文的原邊串聯(lián)準(zhǔn)諧振電路研究對(duì)于船舶高壓直流系統(tǒng)中的小容量、低輸出輔助電源設(shè)計(jì)具有一定的意義。

1 原邊串聯(lián)準(zhǔn)諧振反激變換器工作原理

1.1 常規(guī)準(zhǔn)諧振反激變換器工作原理

常規(guī)準(zhǔn)諧振反激變換器工作原理如圖1所示。

圖1 準(zhǔn)諧振反激變換器原理圖

第一階段為儲(chǔ)能階段。電路中的主開關(guān)管Q在PWM控制器的控制下開通后，電流從直流側(cè)電源Vin流向原邊變壓器，經(jīng)過開關(guān)管后回到直流電源負(fù)極，實(shí)現(xiàn)了對(duì)原邊電感Lp的充電。

第二階段為能量釋放階段。PWM控制器控制主回路MOSFET關(guān)斷，在外接電源Vin和勵(lì)磁電流的影響下，電壓逐漸上升，當(dāng)電壓上升至Vin+Vro時(shí)，二次繞組電壓與輸出電壓相等，輸出整流二極管導(dǎo)通，變壓器開始向副邊輸出能量，同時(shí)變壓器繞組被輸出電壓鉗位。

第三階段是變壓器磁芯復(fù)位階段。整流二極管導(dǎo)通，變壓器開始向電容Cout和負(fù)載傳輸能量，輸出電壓直接接在變壓器二次繞組上，導(dǎo)致副邊電流線性減小直到為零，變壓器的磁芯逐漸復(fù)位。

第四階段則是諧振階段。磁芯復(fù)位完成，變壓器副邊電流減小到零，完成能量從輸入到輸出的傳遞。但由于輸出電容Cp仍存在能量，因此與勵(lì)磁電感發(fā)生諧振，諧振周期為2π√（LpCp），經(jīng)過諧振半周期，在開關(guān)管漏源極電壓從正弦波峰值降至谷值。

1.2 串聯(lián)輸入的均壓原理

1．2．1 靜態(tài)均壓原理：

設(shè)變壓器原邊兩繞組與副邊繞組之間的變比為n,開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間為T1，副邊二極管的導(dǎo)通時(shí)間為T2，原邊電壓最大值為Imax，則：

根據(jù)副邊電容充放電平衡可得：

由（1），（2）可得：

由于式（3）中，導(dǎo)通時(shí)間T1與周期T由控制器控制，可保持兩開關(guān)管的T1和T完全相同，因此兩模塊輸入電壓僅與變比有關(guān)，而本文中變壓器兩繞組變比相同，因此可實(shí)現(xiàn)兩模塊輸入電壓均壓。

圖2 原邊串聯(lián)準(zhǔn)諧振反激變換器原理圖

1．2．2 動(dòng)態(tài)均壓原理：

第一階段，等效原理圖如圖3所示，假設(shè)變壓器兩個(gè)繞組的自感均為L(zhǎng)，互感為M（M

圖3 動(dòng)態(tài)均壓第一階段等效原理圖

由式（4），（5）：

若Vc1>Vc2，則流出C1的電流大于流進(jìn)C2的電流，Vc1電壓減小的速度大于Vc2電壓減小的速度；若Vc1

第二階段，此階段主要為漏感能量向開關(guān)管輸出電容及鉗位電容釋放的過程，由于漏感能量相對(duì)較小，對(duì)鉗位電壓的影響很小，基本不影響電容均壓。

第三階段原邊無電流流過，不會(huì)對(duì)電容均壓有任何影響。

第四階段，等效原理圖如圖4所示，由于兩個(gè)開關(guān)管的漏源電壓相同，將下式最后一項(xiàng)移到左邊后，與第一階段相似，因此同樣可以達(dá)到均壓效果。

圖4 動(dòng)態(tài)均壓第四階段原理圖

2 仿真分析

艦船用系統(tǒng)為600V直流母線電壓，故將輸入電壓范圍設(shè)置為400～800V，輸出功率為15W，輸出電壓為15V。具體仿真參數(shù)如表1所示：

表1 原邊串聯(lián)準(zhǔn)諧振反激變換器主要參數(shù)

2.1 模塊均壓驗(yàn)證

兩模塊完全相同時(shí)的波形圖如圖5所示，上下電容表示兩模塊輸入電容兩端的電壓，上下管電壓表示開關(guān)管兩端的電壓，顯然此時(shí)上下兩個(gè)模塊完全均壓，兩開關(guān)管漏源電壓波形完全重合；模塊輸入電容不同時(shí)的波形如圖6所示，可以看出輸入電容對(duì)模塊均壓的幾乎沒有影響，仿真結(jié)果表明，只要兩模塊輸入電容存在就可以實(shí)現(xiàn)均壓；兩模塊變壓器變比不同時(shí)的波形如圖7所示，此時(shí)變壓器的變比為6:5，而模塊的輸入電壓之比為11:9，模塊輸入電壓之比與變壓器變比基本一致，因此，保持變壓器變比相同是實(shí)現(xiàn)模塊均壓的基本前提；開關(guān)管驅(qū)動(dòng)不一致時(shí)的波形如圖8所示，模塊之間的電壓差會(huì)隨著驅(qū)動(dòng)波形的差距而增大，因此必須保持驅(qū)動(dòng)波形的一致性。

圖5 兩模塊完全相同時(shí)的波形圖

圖6 兩模塊電容不同時(shí)的波形圖

圖7 兩模塊變比不同時(shí)的波形圖

圖8 兩模塊開關(guān)管驅(qū)動(dòng)不同時(shí)的波形圖

2.2 峰值電流閉環(huán)仿真

Matlab系統(tǒng)仿真模型如圖9所示，在此變換器中，由于模塊可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均壓的效果，故無需增加均壓控制回路，因此采用單個(gè)控制器控制兩個(gè)開關(guān)管。整個(gè)模塊采用峰值電流控制，同時(shí)由于反激電路的頻率隨著負(fù)載的增大而減小，根據(jù)負(fù)載的大小改變谷底導(dǎo)通的個(gè)數(shù)，從而在輕載時(shí)減小開關(guān)頻率。

圖9 原邊串聯(lián)準(zhǔn)諧振反激變換器峰值電流模型

本文對(duì)輸入電壓為400V及800V時(shí)的空載及滿載四種工況分別進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖10～13所示。

圖10 輸入800V空載波形

圖11 輸入800V滿載波形

圖12 輸入400V空載波形

圖13 輸入400V滿載波形

圖10～13波形分別為驅(qū)動(dòng)波形、輸出電壓及漏源電壓波形。從圖中可以看出，變換器在不同工況下均可以實(shí)現(xiàn)低電壓導(dǎo)通；隨著負(fù)載的減小，頻率隨之增大，控制器增加了谷底導(dǎo)通的個(gè)數(shù)，將頻率減小到合適的范圍；隨著輸入電壓的增大，開關(guān)管所承受的最大漏源電壓也增大，但未超過限值。

3 結(jié)論

針對(duì)艦船輔助電源高輸入電壓的要求，提出一種基于原邊串聯(lián)的準(zhǔn)諧振反激變換器，分析了模塊自均壓的原理，并進(jìn)行了Saber仿真，詳細(xì)分析了不同工況下模塊均壓的情況，提出變比相等及驅(qū)動(dòng)相同是模塊均壓的必要前提條件。最后對(duì)此變換器的控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)并進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果顯示變換器在全電壓范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)谷底導(dǎo)通，并且變換器在不同的負(fù)載下谷底導(dǎo)通個(gè)數(shù)不相同，可以防止變換器在輕載下頻率過高，驗(yàn)證了峰值電流控制的可行性。