兩級(jí)式變換器在小功率場(chǎng)合的應(yīng)用

1、多電飛機(jī)電氣系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)年會(huì)(CMEAPS’2017)論文集73適用于低壓大電流輸出模塊的兩級(jí)式變換器適用于低壓大電流輸出模塊的兩級(jí)式變換器任小永阮新波(南京航空航天大學(xué)，江蘇南京210016)TwoStageConverterApplicabletoLowVoltageHighCurrentOutputModulesRENXiaoyongRUANXinbo(NanjingUniversityofAeronautics&Astro

2、nauticsNanjing210016China)Abstract:Tomeettheincreasingdemsofwidelinerangelowvoltagehighcurrentoutputpowermodulesrequiredfcommunicationthecomputertechnologyatwostageconvertercomposedofatraditionalisolatedconverter&nonisol

3、atedoneisproposedhere.Thistwostageconvertercanavoidtheseproblemssuchastheawfulcouplingofthewindingsofthetransfmertheuncontrolleddutyratiooftencomeupagainstintraditionalconverterdesign.Itissuitablefhighpowerdensityhighrel

4、iabilitylowpowerwithlowvoltage&highcurrentoutputmodules.aprototypewiththeinput33to75V&output5V10Aisbuilttheresultsaregivenbasedontheexperiments.Keywds:WideLineRangeHighPowerDensityLowVoltageHighCurrentOutputTwoStageConve

5、rter摘要：摘要：為了滿足通訊和計(jì)算機(jī)行業(yè)對(duì)其供電模塊不斷提高的要求，本文提出一種兩級(jí)式結(jié)構(gòu)，即隔離式變換器和非隔離式變換器相結(jié)合。該結(jié)構(gòu)解決了傳統(tǒng)變換器在此類模塊設(shè)計(jì)中遇到的變壓器原副邊繞組耦合不佳、占空比失控等問題，尤其適合于高功率密度、高可靠性的低壓大電流輸出的小功率模塊。采用所提出的這種兩級(jí)式結(jié)構(gòu)，試制了一臺(tái)33－75V輸入、5V10A輸出的原理樣機(jī)，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：寬電壓輸入高功率密度低壓大電流輸出兩級(jí)式變

6、換器1.引言引言隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)以及通訊對(duì)供電電源提出了越來越高的要求，這主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①為了提高微處理器的速度、提高IC的集成度、降低基本單元的功耗，輸出電壓越來越低；②工作單元的集成度的提高，要求電源輸出電流越來越大；③用電設(shè)備的動(dòng)態(tài)負(fù)載特性要求供電電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，且動(dòng)態(tài)變化時(shí)電壓波動(dòng)量??；④輸出電壓紋波越來越?。虎轂榱私档椭绷髂妇€的損耗，減小動(dòng)態(tài)對(duì)其他設(shè)備的影響，輸入電壓越來越高且范圍越來越寬；⑥體積

7、的限制要求電源有合理的熱應(yīng)力分布、高效率、高功率密度以及高可靠性。這樣一個(gè)趨勢(shì)可以從CPU供電電源(VoltageRegulatModule，VRM)的發(fā)展上看出來。圖1與圖2分別給出了Intel公司對(duì)VRM輸出電壓、電流以及動(dòng)態(tài)電流變化率的預(yù)測(cè)圖[12]。VRM的輸入也由早期的5V升高到現(xiàn)在的12V，未來會(huì)被提高到48V[234]?？傊?，對(duì)模塊電源越來越高的要求尤其是輸入輸出電壓比值懸殊，給變換器優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來了相當(dāng)大困難。傳統(tǒng)的Buc

8、k變換器，在輸入電壓變高而輸出電壓降低的時(shí)候，變換器的占空比就變得越來越小，這樣存在著兩個(gè)比較大的問題：①開關(guān)器件的開關(guān)延時(shí)以及上升下降時(shí)間，使得過小的占空比在控制上很難實(shí)現(xiàn)；同時(shí)為了減小0123456OutputVoltage(V)050100150200250OutputCurrent(A)19901995200020052010LoadCurrentDieVoltage圖1Intel對(duì)VRM輸出電壓電流的預(yù)測(cè)10509013020

9、0120032005200720092011didt(Aus)圖2Intel對(duì)VRM輸出電流動(dòng)態(tài)變化速度的預(yù)測(cè)任小永等：適用于低壓大電流輸出模塊的兩級(jí)式變換器75如果僅從減少器件數(shù)目的角度考慮，反激變換器無疑是個(gè)最佳的選擇，因?yàn)榉醇ぷ儞Q器只有一個(gè)磁性元件，且原邊也只有一個(gè)功率器件。當(dāng)采用同步整流技術(shù)時(shí)，如果采用電壓型自驅(qū)動(dòng)，變換器將一直工作在電流連續(xù)模式，在輕載或是空載的時(shí)候，就有相當(dāng)一部分能量在原副邊之間傳遞，損耗較大；而如果采取電流

10、型自驅(qū)動(dòng)方式，需要檢測(cè)副邊同步整流管電流[8]，比較復(fù)雜，其器件少的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)不出來了。正激變換器的電壓型自驅(qū)動(dòng)同步整流技術(shù)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。然而其變壓器工作在單方向磁化狀態(tài)，且占空比小于0.4、脈動(dòng)頻率就是開關(guān)頻率，其濾波器需要的電感量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橋式變換器。至于推挽變換器和半橋變換器，無論是原邊功率器件的數(shù)目、同步整流的控制方式還是磁芯的工作狀態(tài)以及濾波器的工作頻率都一樣。所不同的是原邊開關(guān)管的電壓應(yīng)力，推挽變換器開關(guān)管的電壓應(yīng)力是輸入電壓的

11、兩倍，半橋變換器開關(guān)管的電壓應(yīng)力就是輸入電壓；而且推挽變換器存在偏磁問題比較難解決，半橋變換器則可以用隔直電容來解決。基于以上分析，我們選擇半橋變換器作為此兩級(jí)式變換器中的隔離變換器，也就是提出的兩級(jí)式變換器由半橋變換器和Buck變換器構(gòu)成。2.2控制策略控制策略考慮到采用隔離式變換器實(shí)現(xiàn)大幅降壓，用Buck變換器實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的調(diào)節(jié)，我們采用半橋變換器前置的兩級(jí)式結(jié)構(gòu)（如圖5）。根據(jù)是否控制各級(jí)輸出電壓的不同又可以分為3種控制策略：控制前

12、級(jí)不控制后級(jí)、控制后級(jí)不控制前級(jí)以及兩級(jí)都控。只控制前級(jí)時(shí)，讓Buck變換器工作在恒定的占空比，通過調(diào)節(jié)半橋的占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓。由于采樣要隔離，而且負(fù)載動(dòng)態(tài)變化時(shí)，后級(jí)占空比仍然恒定，動(dòng)態(tài)響應(yīng)會(huì)受到影響；而兩級(jí)都控的方案雖然性能比較好，但控制過于復(fù)雜。只控制后級(jí)時(shí)，半橋變換器可以認(rèn)為是一個(gè)母線直流變壓器（又稱BusConverter），即讓半橋工作在滿占空比導(dǎo)通狀態(tài)，調(diào)節(jié)Buck變換器的占空比來控制輸出電壓。此控制策略有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)

13、：①無論是半橋變換器還是Buck變換器都有專門的控制芯片，從而大大簡(jiǎn)化了控制電路的復(fù)雜程度；②半橋變壓器副邊輸出經(jīng)全波整流后的波形理論上近乎于直流，輸出濾波電感可以大大減小這對(duì)于提高模塊的功率密度是極其有利的；③半橋變換器原邊開關(guān)管可以實(shí)現(xiàn)ZVS。2.3相對(duì)于單級(jí)式變換器的優(yōu)點(diǎn)相對(duì)于單級(jí)式變換器的優(yōu)點(diǎn)對(duì)比于傳統(tǒng)單級(jí)式變換器，本文提出的兩級(jí)式變換器在控制上的復(fù)雜程度并不明顯，但是其解決了傳統(tǒng)隔離式變換器存在的變壓器繞組耦合、自驅(qū)動(dòng)同步整流

14、難以實(shí)現(xiàn)問題，Buck變換器過小的占空比不易控制的問題同樣也得到了很好的解決。在解決這些問題的同時(shí)還帶來熱應(yīng)力分布合理的優(yōu)點(diǎn)。為了解決熱應(yīng)力集中的問題，傳統(tǒng)的單級(jí)式變換器通常會(huì)采用開關(guān)器件并聯(lián)使用或者是多相交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)。前者為了保證足夠的驅(qū)動(dòng)能力，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)比較困難；后者的控制電路則相對(duì)復(fù)雜。本文提出的兩級(jí)式變換器增加了功率器件的數(shù)目，但并沒有很大程度的增大控制、驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜程度。跟單級(jí)式變換器相比，如果功耗一樣，而分?jǐn)偣牡墓β势骷?/p>