发布于：2007/6/15 8:46:07 | 524 次阅读
摘 要 本文对新研制的1kVA 115 V／400 Hz三相静止变流器的直直部分（5），即并联双管正激电路的拓扑结构、工作原理进行了详细分析、介绍。并给出了脉冲变压器参数设计要点、实现方法及样机实验数据和波形。结果表明，该系统具有高效率，高功率密度，体积小重量轻，性能优等特点，尤其在实现静止变流器的模块化结构方面，有较好的应用前景（2）。
关键词 静止变流器 脉冲变压器 铁损 双管正激
1 引言
航空静止变流器是飞机的二次电源。与旋转变流机相比，它具有可靠性高、体积小、重量轻及电气性能好等特点。随着飞机战斗性能的提高和用电设备的不断增加，具有高效、高可靠性、高功率密度、输入输出之间有电气隔离的变换器成为航空电源迫切的需要。而DC／DC变换器的脉冲变压器的好坏对整个装置的性能起着重要的影响，特别是对变换器的效率，体积和重量起着举足轻重的作用，因此，设计好变压器，尤其在实现静止变流器的模块化结构方面，起着事半功倍的作用（4）。
2 双路并联双管正激DC－DC变换器的构成及工作原理（3）
双管正激电路结构实现了励磁能量的回馈，电路结构简洁，损耗小，同时，主功率管承受电源电压，可以选用价格低廉的低压高速器件。而并联结构又使隔离变压器及输出滤波电感的体积得到大大减小，并减小了器件的应力，从而减小了损耗。这样我们选定双路并联双管正激DC－DC变换器作为静止变流器的直流环节（2）。
（1）电路构成（5）
图1是双路并联正激DC－DC变换器主电路及其波形图。M1、M2、D1、D2构成一路双管正激变换器，M3、M4、D3、D4构成另一路双管正激变换器，D5、D6分别为这两路变换器的整流二极管，D7为续流管。L1、C2为滤波感和滤波容。
（2）电路工作原理（5）
在分析之前，作如下假设：
·占空比D＝0．4；
·所有的开关管及二极管均为理想器件；
·电容、电感均为理想元件；
·M1、M2的漏源结电容Cds1＝Cds2，M3、M4的漏源结电容Cds3＝Cds4。
图2是该电路各模态的电路图，共可分为6种工作模态。
1）开关模态1［t0～t1］［参考图2（a）］。
在t0时刻M1、M2管关断，M3、M4管也关断，D1、D2管开通，此时M1管漏源电压为：Uds1＝Uin（DC输入电压）。
励磁电流i1通过D1、D2续流，iL通过D7续流。只要D1、D2管开通，M1、M2管即被箝位于Uin。
变压器原边电压为－Uin。
2）开关模态2［t1～t2］［参考图2（b）］
在t1时刻，M3、M4开始导通，i2出现，M1、M2仍关断，励磁电流i1继续通过D1、D2续流。M1、M2以及变压器原边电压如开关模态1，但这时续流管D7关断，整流管D5开始导通，输出能量。
3）开关模态3［t2～t3］［参考图2（c）］
在t2时刻，续流电流iL＝0，D1、D2管关断，此时变压器漏感、M1漏源电容Cds1、M2漏源电容Cds2开始谐振。i1反向流动，使M1、M2上漏源电容放电，因此它们的漏源电压Uds下降。如果Uds下降到零，则将被箝位，这是因为一旦Uds出现负压，M1、M2反并二极管即导通，使Uds＝0。
D1、D2上电压：Ud＝Uin－Uds，此过程中，U原边＝Uin－Uds1－Uds2。这里变压器原边出现正压，而单路双管正激电路此时将箝位于零，原因将在下文中分析。
4）开关模态4［t3～t4］［参考图2（d）］
由于变压器漏感、Cds1、Cds2谐振，M1、M2管Uds开始上升至t3时刻，对应另一路电路M3、M4管关断，因此续流电流iL经过副边续流管D7开始续流，变压器副边被箝位于零。则电源电压Uin加在M1、M2管Cds1、Cds2上，如图1电路波形中t3～t4阶段，电压Uds1实际是一个快速振荡趋向于1／2输入电压Uin的过程。
5）开关模态5［t4～t5］［参考图2（e）］
在t4时刻，M1、M2管开通，D6管流过电流，输出能量。M1、M2这一路正激电路变压器原边承受输入电压Uin，另一路正激电路重复M1、M2这一路电路模态2情况，励磁电流经D3、D4续流。
6）开关模态6［t5～t6］［参考图2（f）］
M1、M2继续开通，而M3、M4这一路正激电路重复M1、M2的开关模态3情况，即M3、M4的漏源电容Cds3、Cds4与这一路变压器原边漏感谐振。
从6个开关模态可看出，双路并联双管正激DC－DC变换器磁复位是通过两个二极管D1、D2或D3、D4向电源回馈能量，并且主功率管仅承受1倍电源电压，并联的两路正激电路交替工作向后级提供能量。这里，尽管谐振使变压器双向磁化，但由于谐振参数均较小，因此变换器占空比为0．5。
（3）单路与双路并联双管正激电路谐振的不同
如图2（a）、（b）所示，单路双管正激电路（仅M1、M2、D1、D2、T2、D6、D7工作）在t2～t3时刻，当M1、M2漏源电容和变压器原边漏感进行谐振时，变压器原边电压谐振上升，一旦为正压，则D6导通，此时D7续流管正在续流，则变压器副边被箝位于零，因此单路正激电路谐振时变压器原边电压不会产生正压。
如图2（c），双路电路在t2～t3时刻时，另一路正激电路正在工作，使副边续流管D7未能导通，只有原边电压谐振至：原副边匝数之比为N：1，变换器输出电压为U0，副边才会被箝位。故原边电压谐振时出现了正压。应当指出，在t3时刻，正是由于另一路正激电路的加入，使得双路并联双管正激电路谐振出现了正压。
3 主电路脉冲变压器的设计
（1）铁芯的工作状态和要求（3）
主电路脉冲变压器的激磁电压为单向脉冲，因此铁芯的磁状态工作于局部磁滞回线上。分析主电路中脉冲变压器的铁芯内磁通的变化规律，忽略功率MOSFET的导通压降及线圈内电阻压降，则有如下关系式：
式中Ui为主电路输入电压，N1是变压器原边绕组匝数，Sc是铁芯的截面积如图3所示，当主功率管开通时，产生激磁电流，磁感应强度B由剩磁Br开始线性增加，当主功率管关断，B由Bm→Br，由于t1时刻电路开始谐振，激磁电流开始反向流动，B由Br进一步减小。当原边电压为零时，B最小。然后增大至剩磁Br。
由于双管正激电路存在谐振现象，使变压器有可能出现双向磁化，如图3所示，但由于谐振并没有使铁芯磁感应B有明显变化，当主功率管重新开通时，B又恢复至Br。为保证铁芯正常工作时不饱和，因此在设计铁芯时应取ΔB为Bm－Br。
这类工作状态的特点及对铁芯材料的要求：
1）为使铁芯不饱和，应取Bm＜Bs，即ΔB＜Bs－Br，所以铁芯利用率较低。为增大ΔB，应选择高Bs及低Br的材料；或可将铁芯开一小气隙，降低了Br，但同时增大了激磁电流，从而增加了损耗。
2）铁芯工作于局部磁滞回线，所包围的面积小，故损耗也较小；而且局部磁滞回线的磁导率较低。
总之，应选择高Bs、高有效磁导率μe、低Br及低损耗的磁性材料。
这里，我们选取的磁性材料是铁氧体材料EE型的R2KBD，它的饱和磁密Bs达到510 mT，剩磁尽管不是，但ΔB较大，而且电阻率高，可工作于150 kHz以下，是比较理想的材料。
（2）变压器设计要求：
输入电压：20～30V，输出功率：1000W，工作频率：100 kHz，输出电压：190V。
1）选取EE型R2KBD铁氧体材料 因为电路是软起动，不会出现合闸瞬间冲击电流引起的变压器饱和，所以确定工作磁感应强度Bm＝Bs／2＝5100／2＝2550GS
2）计算并确定铁芯型号 因变压器传递的脉宽小于T／2的单向矩形脉冲，导通时间为0．47T，由于铁芯尺寸决定了铁芯的功率处理能力，所以一般按输出功率来确定铁芯型号或尺寸。这里取ΔB＝2000 GS，由于是并联取输出功率P0=500W。有[3]：
108=3.22cm2，填充系数Kc=0.9,铁芯窗口利用系数Ku=0.3，导线的电流密度j=300A./cm2，主功率管开关频率为100kHz，效率η=90%，选取EE42铁芯，它的有效截面积S=1.8cm2，铁芯窗口面积Q＝2．59 cm2，因此：SQ＝4．662 cm2＞3．22 cm2，该铁芯的SQ值大于计算值，选定该铁芯型号。
3）绕组计算 输入电压（20V），导通比（D＝0．47），按输入电压及输出满载的情况下计算原、副边绕组匝数。原边绕组匝数为：
副边绕组匝数为：（UD为整流二极管的压降，r为副边导线电阻）
4）计算并选定导线线径 首先计算原副边绕组电流有效值。不考虑流过N2和滤波电感的电流纹波，则流过N2的电流幅值就等于流过电感电流的平均值，即负载电流Io，取Io＝Po／Uo。流过N2的电流有效值为：
取电流密度j=3A/mm2，可分别计算出N1、N2导
如果考虑集肤效应，工作频率100 kHz时，导线线径不能大于0．418 mm。但结合工艺要求，选取导线为：原边选用0．25 mm的铜皮双层并绕3匝，副边用1．11的铜线双股并绕31匝，电压反馈用0．2的铜线绕一圈。采用原副边夹绕以减小漏感。
5）核算铁芯窗口面积 EE42B铁芯的高度为29．6 mm，取铜皮的宽度28 mm，厚度为0．25 mm，1．11 mm的铜线的截面积为0．785 mm2。因此窗口利用系数为：
说明绕组能绕得下，变压器设计完成。
单路变压器设计与双路变压器的设计主要不同是变压器的匝数，变压器的重量基本相同。双路的2个变压器重量与单路的一个变压器基本相同，但单路的原副边匝比为双路的两倍。
4 样机实验结果
笔者研制设计了1 kW（输入电压27V，输出电压190V）双路并联正激DC－DC变换器实验电路。分别测试了在空载，1／2满载和满载等情况下变压器的损耗和整机效率，实测表明，几种情况下，变压器的损耗均小于2．85 W，效率大于93．8％．变压器的实验波形如（图4，图5）所示。
从实验结果表明：采用双路并联正激DC－DC变换器技术，电路结构简单，系统启动好，稳定性高效率高，电气性能好，从而有效的降低飞机二次电源的体积和重量，从而证明了上述理论的可行性；样机的实验结果展示了静止变流器的优良性能。结果表明，该系统具有高效率，高功率密度，体积小重量轻（＜6．5kG），性能优越等特点，尤其在实现静止变流器的模块化结构方面，有较好的应用前景。
参考文献
1 Dawande M and Dubey G K．Bang－bang currentcontrolwith predecided switching frequency for switch－moderectifiers．IEEETransactions on IndustrialElectronics，1999，46：61～66
2 BJKang and C M Liaw．Random Hysteresis PWM In－verter with robust spectrum shaping．IEEE Transac－tions on Aerospaceand ElectronicSystems．2001，37（2）
3 陈敏．9kVA组合式三逆变器的研制：［硕士论文］．南京航空航天大学，2002
4 李启明．正激直流环节单相和三相软开关静止变流器的研究：［博士论文］．南京航空航天大学，2001
5 严仰光，谢少军．民航飞机供电系统．北京：航空工业出版社
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