高效率高功率密度通信模塊電源技術(shù)的研究.pdf

1、分布式電源系統(tǒng)因其設(shè)計(jì)周期短，各負(fù)載之間的影響小，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)已成為目前通信電源系統(tǒng)的主流。中間母線結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用最廣泛的分布式電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它由前端變換器、中間母線變換器以及負(fù)載點(diǎn)變換器等組成。前端變換器將交流輸入變換成48V直流，中間母線變換器將48V變換成12V并實(shí)現(xiàn)電氣隔離，負(fù)載點(diǎn)變換器將12V變換成負(fù)載所需要的電壓。本文重點(diǎn)討論后兩者的設(shè)計(jì)。
　　 為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的不間斷供電，48V母線上通常會(huì)并聯(lián)備份電池。而電池的引

2、入，要求中間母線變換器能在較寬的輸入電壓范圍工作，而在絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，中間母線變換器工作在額定輸入電壓，因此此時(shí)的效率尤為關(guān)鍵。本文提出一種應(yīng)力系數(shù)分析法，對(duì)工作于不同輸入電壓范圍的全橋變換器進(jìn)行對(duì)比分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明寬輸入電壓范圍增大了變換器的元器件應(yīng)力，降低了變換效率，其中影響最大的就是磁性元件。為了在寬輸入范圍提高中間母線變換器的效率，本文提出一種兩級(jí)式結(jié)構(gòu)的中間母線變換器，即前級(jí)采用四開關(guān)Buck-Boost（FSBB）變

3、換器，將寬輸入電壓范圍變換成一個(gè)窄電壓范圍或恒定電壓，后級(jí)采用隔離型全橋變換器實(shí)現(xiàn)大幅降壓和電氣隔離。FSBB具有升降壓功能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開關(guān)管電壓應(yīng)力低、具有直接功率通路等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它還存在兩個(gè)控制自由度，為提高變換器效率提供了可能性。
　　 變換器的功率變換過程包括直接功率傳遞方式和間接功率傳遞方式，提高直接功率比重有利于提高變換效率。為了提高FSBB的直接功率比重，本文提出了兩種三模式控制策略。一種是粗調(diào)節(jié)方法，此時(shí)FSBB

4、的輸出電壓有一個(gè)較小的變化范圍，后級(jí)全橋變換器將其變換為穩(wěn)定的電壓；另一種是精調(diào)節(jié)方法，此時(shí)FSBB的輸出電壓精確調(diào)節(jié)，后級(jí)全橋變換器采用滿占空比開環(huán)控制。
　　 在三模式粗調(diào)節(jié)控制策略中，將輸入電壓分為三個(gè)區(qū)域，F(xiàn)SBB分別工作在升壓、濾波和降壓模式，其中濾波模式所對(duì)應(yīng)的輸入電壓區(qū)域位于升壓和降壓模式對(duì)應(yīng)的輸入電壓區(qū)域之間，以避免升壓和降壓兩種模式在其切換點(diǎn)之間的頻繁切換。在濾波模式時(shí)，F(xiàn)SBB的Buck單元的主控管一直導(dǎo)通，

5、Boost單元的主控管一直截止，因此其輸出電壓等于輸入電壓，這樣導(dǎo)致輸出電壓在此區(qū)域內(nèi)有一個(gè)較小的變化范圍。根據(jù)這一特點(diǎn)，本文提出了一種升壓和降壓兩種模式下的輸出電壓設(shè)置方法，以保證變換器工作模式之間的平滑切換。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制策略可以實(shí)現(xiàn)FSBB在全輸入電壓范圍內(nèi)的高效率，并且額定輸入時(shí)效率最高。
　　 與三模式粗調(diào)節(jié)控制策略相似，在三模式精調(diào)節(jié)控制策略中，F(xiàn)SBB也工作在三種工作模式，不同的是，中間區(qū)域的工作模式為升降壓

6、模式，替代了原來的濾波模式，這樣在此區(qū)域內(nèi)也可對(duì)輸出電壓精確調(diào)節(jié)。為了提高直接功率比重，本文提出兩沿調(diào)制（TEM）策略，其中Buck單元采用后沿PWM，而Boost單元采用前沿PWM。在升降壓模式下，為了進(jìn)一步提高直接功率比重，Buck單元工作在固定最大占空比Dm，此時(shí)調(diào)節(jié)Boost單元的占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓?？紤]升降壓模式時(shí)電感電流脈動(dòng)小，而四只開關(guān)管均高頻工作這個(gè)特點(diǎn)，在保證電感電流脈動(dòng)不超過其他兩種工作模式的前提下，將開關(guān)頻率降低

7、，以大大減小開關(guān)損耗，提高變換效率。由于有兩種開關(guān)頻率，兩種PWM方法，因此稱該方法三模式雙頻TEM控制策略。該控制策略同樣實(shí)現(xiàn)了全輸入電壓范圍的高效率和額定輸入時(shí)的效率最優(yōu)。
　　 由于FSBB存在多個(gè)工作模式，并且在精調(diào)節(jié)控制策略中還存在兩種開關(guān)頻率，這使得兩級(jí)式IBC系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)難度大幅增加。本文對(duì)FSBB在各種工作模式下的輸出阻抗和全橋變換器的輸入阻抗特性進(jìn)行分析，結(jié)合阻抗比穩(wěn)定判據(jù)，推導(dǎo)出控制系統(tǒng)環(huán)路設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則。針對(duì)

8、FSBB工作于濾波模式時(shí)輸出阻抗上凸得不到抑制的問題，從減小損耗的角度提出改進(jìn)的阻尼電路設(shè)計(jì)。論文對(duì)所提出的控制系統(tǒng)環(huán)路設(shè)計(jì)和阻尼電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出的設(shè)計(jì)方法是有效的。
　　 負(fù)載點(diǎn)變換器(POL)直接給負(fù)載供電，除了要求高效率、高功率密度外，還要有快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和低的輸出紋波電壓，這與濾波器的設(shè)計(jì)密切相關(guān)。論文對(duì)濾波器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論，在對(duì)POL的損耗分析的基礎(chǔ)上，本文提出損耗最小化的輸出電感設(shè)計(jì)方法