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基于输入串联均压的航天直流电源设计

引言

由于卫星、飞船等航天设备的直流电源母线电压主要为100 V、42 V等低压段,相应的器件也主要集中在低压等级且品类较少,不能满足高压输入的要求,这对直流电源工程师来说产生了一定的困难。为了降低开关管的电压应力,工程师采用多电平直流变换器。随着电平数的增加,箝位二极管和飞跨电容的数量也相应增加,而且飞跨电容电压的检测和控制也变得更加复杂。因此,对于输入电压等级较高的直流稳压电源变换器,输入串联输出并联(ISOP,input series output paralle1)型的变换器结构得到了广泛的应用。

ISOP型的变换器的特点是:单个变压器的输人电压减少至Vin/n(Vin 为输入电压,n为模块数目),输出电流减少至Io/n(,n为输出电流),由于电压应力的减少,容易选择功率器件功能,满足高输入电压场合的需求;每个模块只承担Po/n的功率,便于单个模块设计和系统设计;利用交错控制技术能够减少输出电流纹波、减少输出滤波器件体积和提高动态性能;使用低电压等级的MOSFET,通态电阻非常小,可提高效率。但由于该变换器中两个模块的器件参数,如高频变压器、导通占空比以及输入电容等器件参数不一致,将导致分压电容不均压。若不采取有效措施,会使开关管承受的反压不一致,系统可靠性降低。因此该结构的关键技术是保证分压电容均压。

串联分压的控制方案有主从控制、双环控制、三环控制等多种方式。这些控制方式优点是能精确控制输入均压,但也有诸多缺点:控制系统复杂,降低了电源整体可靠性;每个电源需要独立的辅助电源,会导致电源的体积、复杂性增大。在输入电容容量较小的情况下,采用上述串联控制方式时会出现启动不同步而拉偏分压,导致无法正常工作的现象。要解决该问题只能增大输入电容并引入电源同步信号。这会增大电源体积及复杂度。本文提出了以反激变换器作为组合式变换器的基本模块,采用单芯片控制,同步驱动的方案,从拓扑的原理上实现了输入串联均压。

1 电源基本结构及工作原理

反激变换器由于结构简单、成本较低、可方便得到多路隔离输出、性能可靠等优点,得到了广泛的应用 。特别适合输出中小功率电源的应用场合。

本文以反激变换器作为组合式变换器的基本模块,各个模块输入串联分压,并联输出,采用一个芯片进行闭环控制,芯片发出的PWM经过隔离变压器同步驱动每个模块的MOSFET,此结构既保留了反激变换器简单、可靠性高的优点,同时使原边开关管只承受较低的输入直流母线电压,从而使得在高输入电压场合应用现有低压MOSFET成为可能。电源结构示意图如图1所示。

航空直流电源拓扑示意图

该拓扑输入由多个分压电压单元(分压单元1~N)通过反激拓扑(包含反激变压器TX1一TXn,功率开关管Q1~Qn)串联,输出通过二极管(D1~Dn)连接到一起,经过输出滤波电容滤波后给负载供电。为保证均压硬件上增加了均压电阻R1~Rn,均压电容C1~Cn构成的并联网络,进一步保护电源在高压空载时不会出现分压严重偏移的问题,电源输人端增加了TVS1~ TVSn进行保护。

该直流电源拓扑的工作原理和优点如下:

① 由一个芯片控制。由一个驱动信号经隔离变压器后同步驱动各个开关管,具有天然的均压特性。因反激变换器的特性,每个电源的输出电压被箝位一致,每个MOSFET的驱动完全一致,在单个PWM周期内,假设其中模块N的输人电压较高,则此模块在该周期内必然会传输更多的能量,从而导致模块输入电压降低,其余模块的输入电压升高,从而保持了每个模块输入电压的自然均压。该均压过程作用在每个开关周期内,保证了电源的实时均压。

② 只需要一个启动电路。因为原边只有一个控制芯片,所以只需要一路启动电源即可工作,所有串联模块采用同一路驱动信号开关动作,从而避免了因为启动不同步而导致的不均压问题。

③ 启动、突加载均压良好。直流电源电路本身固有的均压特性保证了动态范围内的输入均压,实验数据也证实了理论分析的正确性,在空载启动、满载启动、100% 负载切换等状况下直流电源的各个模块均压特性良好。

④ 直流电源结构简单可靠。直流稳压电源实现方式简单,器件少,可靠度高。由于输出并联带来的单个电源模块的功率降低,散热面积增大,电源温升更小,增加了电源的可靠性。

该方案从拓扑原理上根本解决了分压不均的问题,在每个开关周期内模块之间自动均压,调节速度快。在电源空载或者短路时,因电源无输出功率,均压主要通过均压电阻控制。为进一步保护电源在高压空载时不会出现分压严重偏移的问题,电源又增加了一级TVS保护,保证每个电源单元最大输入电压不超过设定值,而空载功耗很小,所以即使出现单个模块输入电压超过设定值,TVS动作只需要极小的放电电流即可完成调整。

2 直流电源仿真及实验验证

为验证理论的正确性,以输入两个模块串联输出两个并联为例搭建了基于SIMPLIS的仿真模型,仿真原理图如图2所示。其中TX1、D1、Q1以及PWM1组成分压单元1,TX2、D2、Q2以及PWM2组成分压单元2。

航空直流电源仿真原理图

输入电压设定为2000 V,采用两级模块分压,驱动采用同样参数的PWM模块,模拟实际中的变压器同步驱动,变压器匝比为70:8,原边电感量为2.5mH,占空比设定为10% 。Q1与Q2耐压大于2000V,D1与D2耐压600 V。

用仿真模型分别仿真了输出短路、输出空载、输出满载等工况,图3为输出满载工况下两个均压模块的输出电压及两者之间的偏差电压。模块1与模块2的输出电压 。V1、V2的有效值均为1000 V,偏差(Vo)小于1V,结果表明两个均压模块实现了良好的均压效果,证明该方案的良好特性。

航空直流电源均压仿真结果图

根据该方案设计一款高压输人电源,电源参数为:输入电压2000 V;输出电压12 V;输出功率50 W;磁芯PQ3230;变压器匝比70:8;原边电感2.5 mH。

分别在空载启动、满载启动、输出负载切换、输出短路等各种工况对电源进行了测试,测试在各种不同工况下,模块单元1和单元2输入电压V1 、V2 的变化情况。实验结果如图4~图8所示。可以看出在电源工作正常时均压效果良好,只是在短路状况下均压才有偏差,最大偏差为120 V左右,完全满足规格要求。


3 结束语

通过理论分析、仿真分析及实验验证,直流电源工程师采用的基于反激拓扑的单芯片控制输入串联均压拓扑具有以下特点:① 从拓扑的原理上实现了串联模块之间的均压,均压效果良好;② 该方案器件少,简单可靠,具有较好的工程应用前景。

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