基于反激式電路拓撲的DC/DC變換器并聯(lián)輸出的均流變換器設計

　　本文主要通過對Droop法DC/DC變換器并聯(lián)均流技術的研究，設計了一種基于反激式電路拓撲的兩個DC/DC變換器并聯(lián)輸出的均流變換器。

　　單端反激電路的電路拓撲及工作原理

　　電路拓撲

　　圖1 反激式變換器

　　反激式變換器是在基本Buck-Boost變換器中插入變壓器形成的，線路組成見圖1所示。變壓器原邊繞組其實是充當一個儲能電感的作用，后文將敘述到初級電感量的設計將影響到反激式變換器的工作模式。

　　電路工作的第一階段是能量存儲階段，此時開關管Tr導通，原邊繞組電流Ip的線性變化遵循式(1)。

　　(1)　

　　電路工作的第二階段是能量傳送階段，此時開關管Tr關斷，原邊電流為零，副邊整流二極管D導通，出現(xiàn)感生電流。并且按照功率恒定原則，副邊繞組安匝值與原邊安匝值相等。副邊繞組電流Is遵循式(2)。

　　(2)　

　　其中為副邊繞組電壓，為變壓器副邊的等效電感。

　　電路工作模式

　　(1)工作模式改變的條件

　　如圖1所示的變換器，設開關管導通占空比為D1，二極管導通占空比為D2，工作周期為Ts，按穩(wěn)態(tài)電感電流增量相等原則有：

　　(3)　

　　連續(xù)模式時，D1期間(開關管導通，二極管截止)存儲在L上的能量在D2期間(開關管截止，二極管導通)沒有完全放完，故有：

　　(4)　

　　不連續(xù)模式時，D1期間(開關管導通，二極管截止)存儲在L上的能量在小于D2期間(開關管截止，二極管導通)已完全放完，故有：

　　(5)　

　　從而可以推導臨界連續(xù)的條件是：

　　D1+D2=1且每周期開始時的IP=0

　　故有：

　　(6)　

　　其中，Lc為臨界連續(xù)的電感值。

　　代入式(3)有：

　　(7)　

　　利用狀態(tài)空間平均法可以建立CCM模式下的反激變換器的小信號模型，如圖2所示。

　　圖2 CCM模式下的反激變換器的小信號模型

　　從中可以導出開環(huán)輸出阻抗為：

　　(8)　

　　其中　

　　由式(8)可以看出，對設計好的Buck-Boost變換器，其輸出阻抗僅為開關管導通比的函數。通過PWM控制開關管的導通占空比D，就可以控制變換器的開環(huán)輸出阻抗。

　　Droop法均流原理

　　分布式電源系統(tǒng)并聯(lián)使用的好處是可以實現(xiàn)電源模塊化和標準化系統(tǒng)設計，可以實現(xiàn)冗余設計，提高系統(tǒng)的可靠性。但同時要求并聯(lián)的電源之間采取均流(Current-sharing)措施，以保證并聯(lián)電源模塊之間的電流應力和熱應力均勻分配。

　　Droop法又叫改變輸出內阻法、斜率控制法、電壓下垂法、外特性下垂法、輸出特性斜率控制法，線路簡單，易于實現(xiàn);均流精度不高，適用于電壓調整率要求不高的并聯(lián)系統(tǒng)。

　　圖3 開關電源電路模型

　　圖4 開關電源的輸出曲線

　　如圖3所示的單個開關電源，它的輸出特性曲線如圖4所示，其輸出電壓Vo與負載電流Io的關系為：

　　(9)　

　　圖5 兩臺開關電源并聯(lián)的電路模型

　　當兩臺開關電源按圖5并聯(lián)時，每個開關電源的負載電流為：

　　(10)　

　　(11)　

　　其中　

　　圖6 并聯(lián)后開關電源的外特性斜率

　　從圖6顯見，外特性斜率小(即輸出阻抗小)的電源，分配電流的增長量比外特性斜率大的電源增長量大。

　　Droop法實現(xiàn)均流的主要手段就是利用電流反饋調節(jié)每個變換器的外特性斜率，使并聯(lián)變換器的輸出阻抗接近一致，從而達到輸出均流。

　　由前文所述，反激電路的輸出阻抗為開關管導通占空比的函數，因此用反激電路實現(xiàn)Droop法均流的途徑，應該通過電流檢測信號控制開關管導通占空比來實現(xiàn)，或者說電流檢測信號要參與PWM控制。

　　本文用Droop法設計了兩個12V輸出的并聯(lián)DC/DC變換器，結構如圖7所示，技術指標要求如下。

　　圖7 Droop法均流DC-DC設計原理框圖

　　輸入電壓：17V～32VDC;

　　輸出電壓：12VDC;

　　輸出最大功率：30W;

　　工作頻率：200kHz。

　　電壓調整率：小于±3%;

　　負載調整率：小于±3%;

　　效率：大于70%;

　　紋波：于70mV。

　　設計結果

　　● 負載調整率

　　本文研究的反激式變換器的輸出方式是離線式設計，而且電壓采樣信號沒有從輸出端直接采樣，而是采用了磁隔離采樣技術。這種設計可以不借助啟動隔離電路和隔離驅動電路而實現(xiàn)離線式輸出，線路簡單，但帶來的缺點是負載調整率做不到很高。理論上很難把負載調整率做到±5%，有關文獻介紹這種設計(輸出12V，電流從0.1～0.3A變化)可以實現(xiàn)的負載調整率±3%，本設計經過一些有效的措施，使得負載調整率在負載電流從 0.1～1.3A變化時達到±3%。

　　變壓器耦合

　　由于電壓采樣信號是通過變壓器電壓采樣信號繞組耦合輸出電壓變化信號得到的，故信號耦合的好壞直接影響到輸出電壓負載調整率的好壞。經過反復試驗，得到兩點實踐經驗：

　　變壓器的繞制采用“三明治”式繞法，即初級繞組先繞一半，再繞次級繞組，繞后再將初級繞組剩余的匝數繞完，將次級繞組包裹在里面，這樣漏感最小，見圖8所示。